Предохранитель ПАР особенности и характристики


СОДЕРЖАНИЕ:

Параметры и характеристики предохранителей.

Номинальный ток Iном предохранителя – ток, определяемый его теплофизическими и геометрическими параметрами. Устанавливается из учета превышения температуры на выводах и потерь мощности. Величина его определяется номинальным током установленной в нем плавкой вставки Iв.ном; выражается при переменном токе – действующим значением периодической составляющей тока синусоидальной формы номинальной частоты, при постоянном токе (при наличии пульсации) – среднем значением.Номинальный ток держателя (или основания) предохранителя представляет собой наибольший номинальный ток плавкой вставки, которая может быть использована в предохранителе.

Ток неплавления – заданное значение тока, которое плавкая вставка предохранителя способна пропускать в течение условного времени, не расплавляясь.

Условный ток неплавления Iнпл – характеризуется отношением тока неплавления к номинальному току плавкой вставки.

Ток плавления – наибольший ток, при котором плавкая вставка не перегорает в течение длительного времени (при токах, превышающих ток плавления, плавкая вставка должна перегореть в кратчайшее время).

Условный ток плавления Iпл – заданной значение тока, при котором срабатывает плавкая вставка предохранителя в течение условного времени; характеризуется коэффициентом кратности Кпл=Iпл/Iв.ном.

Ожидаемый ток в цепи Iож – ток, который будет протекать в цепи, если установленный в ней плавкий предохранитель заменен перемычкой с незначительным полным сопротивлением. Выражается его действующим значением.

Пропускаемый ток Iп – максимальное мгновенное значение тока, достигнутое при срабатывании предохранителя.

Пограничный ток Iпогр – ток, при котором установившейся температурой наиболее нагретого участка плавкой вставки является температура плавления материала плавкой вставки.

Номинальное напряжение предохранителя – максимальное напряжение электрической цепи (действующее значение), при котором обеспечивается надежное отключение предохранителей этой цепи.

Напряжение отключения (возвращающееся напряжение) – мгновенное значение напряжения, которое появляется на выводах плавкой вставки (или предохранителя) в процессе его срабатывания.

Время плавления плавкого элемента предохранителя tпл – интервал времени от момента начала протекания сверхтока через предохранитель до момента достижения наиболее нагретого участка плавкого элемента температуры плавления материала.

Преддуговое время предохранителя – время между началом протекания тока, достаточного для расплавления плавкого элемента, и моментом возникновения электрической дуги.

Время дуги – интервал времени между моментом появления дуги и моментом ее окончательного погасания.

Время отключения предохранителя (полное время) – сумма преддугового времени и времени дуги.

Дата добавления: 2015-05-05 ; просмотров: 1065 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Как правильно подобрать быстродействующий предохранитель

В настоящей статье будут рассмотрены особенности применения быстродействующих предохранителей в цепях постоянного тока. Кроме того, пойдет речь о конструктивных вариантах исполнения различных серий предохранителей и некоторых областях их применения.

Предохранители в режиме постоянного тока

Использование предохранителей в цепях постоянного тока имеет свои особенности, т.к. из-за большой скорости процессов и отсутствия нулевых переходов тока цепи на работу предохранителя значительно влияют реактивные параметры цепи. Индуктивность в цепи постоянного напряжения ограничивает скорость нарастания тока. Время, затрачиваемое на достижение током 63% от конечного значения, называется постоянной времени, обозначаемой соотношением L/R. Скорость же нарастания тока влияет на начальную энергию плавления элемента предохранителя. Это определяет как время-токовую характеристику плавления, так и максимальный пропускаемый ток (Рис.1).

Для длительного периода времени (более 1 секунды) тепловой эффект переменного тока такой же, как и постоянного, характеристики сливаются (см. рис. 2).

Рис.1. Время-токовая характеристика цепи постоянного тока

Рис.2. Зависимость времени плавления от L/R

Большинство схем имеют постоянную времени между 10 и 20 миллисекундами, исходя из чего спецификации МЭК (международной электротехнической комиссии) требуют тестирования в этих пределах. Константы времени больше чем 20 мс встречаются не часто, за исключением тяговых решений электротранспорта, где большая длина контактной сети даёт чрезвычайно высокое соотношение индуктивности к сопротивлению. При коротких замыканиях, в условиях срабатывания предохранителя, значение постоянной времени цепи может отличаться от постоянной времени в «нормальных» рабочих условиях.

Во многих выпрямительных схемах, даже в условиях срабатывания, плавкая вставка будет под воздействием переменного напряжения (когда напряжение стремится к нулю или близко к нулю с регулярностью, соответствующей частоте питания).

В этих условиях, гашение дуги внутри плавкой вставки в случае срабатывания упрощается снижением напряжения до нуля. Когда предохранитель установлен в цепи постоянного тока, процесс гашения дуги при срабатывании не будет упрощаться периодическим снижением напряжения до 0, как в ситуации с переменным напряжением. При постоянном токе погасить дугу гораздо сложнее, вот почему и предохранитель в этом случае, как правило, должен быть гораздо больше по размерам (Рис.3).

Рис.3. Предохранители одного номинала для переменного (слева) и постоянного (справа) тока

Напряжение, при котором плавкая вставка может безопасно работать, таким образом, зависит от постоянной времени цепи. Следует отметить, что при малых значениях постоянной времени номинал тока предохранителя при постоянном напряжении иногда может оказаться больше, чем при переменном (согласно стандартам IEC или UL). Однако для большинства случаев номинал предохранителей при постоянном токе не превышает 75% от номинала при переменном токе, и по мере увеличения постоянной времени он снижается.

Напряжение дуги, возникшей внутри плавкой вставки во время срабатывания, будет меняться по отношению к напряжению системы. Изменение напряжения дуги в результате самоиндукции относительно приложенного напряжения будет также различным для цепей переменного и постоянного тока. Если это специально не предусмотрено конструкцией, предохранители не рекомендуется применять для защиты от незначительных перегрузок в цепях постоянного тока. Производительность в этой области может быть ограничивающим фактором при выборе предохранителя.

Компания Bussmann производит большой диапазон предохранителей, специально разработанных для работы при постоянном токе в самых разнообразных приложениях: в тяговых транспортных решениях, системах бесперебойного питания, выпрямителях, частотных преобразователях, солнечной энергетике и др. Предохранители для цепей постоянного тока выпускаются на типовые напряжения 750, 1000, 1200, 1500, 2000 и 4000 В в диапазоне токов до 1600А, различного конструктивного исполнения.

Предохранители переменного тока в цепях постоянного тока

Учитывая вышесказанное, рассмотрим пример проверки возможности применения конкретного предохранителя в цепи постоянного тока.Приведенная ниже информация относится конкретно к прямоугольным предохранителям стандартной серии на 660, 690, 1000 и 1250 В переменного тока. При этом в каталоге для них нет информации о возможности их использования в цепях постоянного тока. Тем не менее эти предохранители могут применяться в цепях, где используется постоянное напряжение. Однако, при этом необходимо провести определённый проверочный расчёт.

Отключающая способность предохранителей зависит от сочетания:

  • максимального приложенного постоянного напряжения;
  • постоянной времени цепи L/R;
  • минимального предполагаемого тока короткого замыкания Ipmin цепи;
  • преддугового интеграла I2t выбираемого предохранителя.

Пример расчёта.

Используем параметры конкретного предохранителя 170M6149: 1100A, 1250 VAC,

I2t — 575.000 A2s

Прилагаемое напряжение E = 500V DC

Возможный ток короткого замыкания Ip = E/R = 500/16 = 31.3 kA

Постоянная времени L/R = 40 ms (0.64/16)

Рис.4. Условная схема рассчитываемой цепи

Для расчётов используется ряд следующих зависимостей:

Шаг. 1 График на рис.5 показывает зависимость максимума приложенного напряжения постоянного тока от L/R с 3 уровнями тока Ip в качестве параметра.

Необходимо выбрать кривую 1, 2 или 3 выше точки пересечения известного напряжения и постоянной времени. Находим точку пересечения для прилагаемого напряжения 500 В и постоянной времени, равной 40ms. Непосредственно выше этой точки пересечения находится кривая 2.

Если выше точки пересечения напряжения и постоянной времени нет никакой кривой, тогда должен быть выбран плавкий предохранитель с номиналом переменного напряжения более 1250 В.

Рис.5. Зависимость максимума приложенного напряжения постоянного тока от L/R

Шаг 2. Для правильного применения предохранителя необходимо использовать коэффициент F, связывающий I2t с предполагаемым током срабатывания Ipmin. На рис.6 показана зависимость коэффициента F от L/R. По параметру 2 (выбранной кривой 2) для постоянной времени L/R = 40 ms находим коэффициент F = 26,5.

Рис.6. Определение промежуточного коэффициента F в зависимости от постоянной времени

Шаг 3. Для прилагаемого напряжения 500В по пересечению с кривой номинального напряжения используемого предохранителя находим пиковое напряжение дуги при срабатывании предохранителя.

Как видно из графика (Рис.7), для данного случая пиковое напряжение дуги при срабатывании предохранителя будет достигать значения 1900V.

Рис.7. Определение пикового напряжения дуги при срабатывания предохранителя

Шаг 4. Минимальный уровень тока (Ipmin) цепи должен соответствовать следующему условию:

Проверка с конкретными параметрами цепи показала, что отключающая способность выбранного предохранителя достаточна при следующих основных условиях:

  1. Максимальное прилагаемое напряжение — 500V;
  2. Постоянная времени 40мs ( допустимо до 46мs);
  3. Минимальный необходимый ток срабатывания Ip — 20kA (имеем для данной цепи 31,3kA, что вполне соответствует условию);
  4. Пиковое напряжение дуги при срабатывании предохранителя — 1900 В.

Повторимся, приведенная методика проверки применимости относится конкретно к прямоугольным предохранителям стандартной серии на 660, 690, 1000 и 1250 В переменного тока. Возможность применения в цепях постоянного тока других быстродействующих предохранителей необходимо уточнять в справочных данных соответствующих каталогов.

Таким образом, плавкие предохранители допускают работу в цепях как переменного, так и постоянного тока, но с существенной коррекцией максимально допустимых параметров, в частности, напряжения. Однако не существует универсальной верной методики подбора предохранителя для постоянного тока, основываясь на его параметрах для переменного тока. В связи с этим, производителем рекомендуется в цепях постоянного тока применять специально разработанные для этого предохранители или предохранители, в справочных данных которых оговаривается возможность работы в режиме постоянного тока.

Выбор конструктивного исполнения быстродействующих предохранителей.

Поскольку в рамках нашей статьи мы говорим о выборе предохранителей, то касаться особенностей их внутреннего устройства не будем, так как писали об этом ранее (Силовая Электроника, № 4’2013, № 6’2013). Кроме правильного определения электрических параметров предохранителя, перед пользователем стоит задача выбора его конструктивного исполнения. Часто выбор конструктивного исполнения определяется требованиями к допустимым размерам, исходя из свободного пространства в месте установки. С другой стороны, размеры предохранителя, как правило, зависят от номиналов тока, напряжения, режима использования (цепи переменного или постоянного тока). Компания Bussmann представляет наиболее широкий ассортимент быстродействующих предохранителей на мировом рынке. Быстродействующие предохранители Bussmann выпускаются в корпусах всех международных типов, соответствующих стандарту EN60269-4, который объединяет все предыдущие европейские и американские стандарты для этих устройств.

Семейство быстродействующих предохранителей Bussmann включает в себя цилиндрические предохранители (Ferrule Style) различного размера (от 6×32 до 25×146), являющихся отличным решением для защиты небольших ИБП, малых приводов переменного тока и другого оборудования небольшой мощности, где приоритетом является минимальное занимаемое пространство (Рис.8). Устанавливаются в специальные модульные держатели и держатели открытого типа, имеющиеся в ассортименте продукции производителя. В линейке имеются варианты исполнения предохранителей с бойком индикации срабатывания (в серии FWP).

Рис.8. Быстродействующиецилиндрические предохранители (Ferrule Style)

Предохранители британского стандарта BS88:4 (Рис.9) для защиты полупроводников у Bussmann представлены самой широкой в индустрии линейкой, двумя диапазонами напряжения 240Vac/150Vdc и 690vac/500Vdc. Используют инновационные методы гашения дуги и материалы высокого класса, обеспечивающие минимальные значения I2t и отличную производительность в цепях постоянного тока. Конструктивное исполнение со смещёнными контактами под болт предполагает установку непосредственно на платы, монтажные панели приводов постоянного тока, выпрямителей, преобразователей напряжения, устройств плавного пуска и т.п. Опционально могут оснащаться индикаторами срабатывания.

Рис.9. Быстродействующиепредохранители британского стандарта BS88:4

Ещё одно линейка быстродействующих предохранителей — североамериканские цилиндрические с ножевыми и торцевыми привинчиваемыми контактами (Рис.10). Представляют отличное решение для силового оборудования средней мощности. Конструкция оптимизирована для обеспечения малых значений I2t, потерь мощности, напряжения дуги и применения в цепях постоянного тока. Для предохранителей линейки разработаны держатели с фиксированным центром и модульные универсальные держатели.

Рис.10. Быстродействующиепредохранители североамериканского стандарта

И, пожалуй, самое большое подмножество — быстродействующие предохранители в прямоугольном корпусе (Рис.11). Их конструктивное исполнение обеспечивает минимальные значения I2t , низкую рабочую температуру и малые потери мощности. Диапазон рабочих напряжений от 400В до 4000В и номинальный ток до 7500А.

Рис.11. Быстродействующиепредохранители в прямоугольном корпусе

Предназначены для защиты полупроводниковых приборов в оборудовании средней и большой мощности. Имеются серии, разработанные специально для использования в цепях постоянного тока. В зависимости от номинала и спецификации, Bussmann производит целый диапазон различных типов корпусов быстродействующих предохранителей, от 0000 до 5 типоразмера (Рис.12).

Рис.12. Типоразмеры быстродействующих прямоугольных предохранителей

Также широкая линейка прямоугольных быстродействующих предохранителей делится на несколько подгрупп, характерных для определённых локальных стандартов и отличающихся преимущественно исполнением контактов (Рис.13).

Рис.13. Стандартыпредохранителей в прямоугольном корпусе с различным исполнением контактов

Это даёт возможность пользователю подобрать наиболее подходящий вариант для используемого оборудования и обеспечивает гибкость при разработке новых специфичных приложений. Некоторые из них могут быть установлены только в предназначенные для них держатели (например, предохранители стандарта DIN 43 620), другие могут устанавливаться как в специальные держатели, так и непосредственно на токоподводящие шины (стандарт DIN 43 653). В пределах практически каждой из этих подгрупп имеются варианты исполнения предохранителей с разными типами индикации: визуальный индикатор срабатывания, боёк на торцевой части предохранителя (тип Т), адаптер индикации срабатывания на теле предохранителя (тип К). Для обоих типов доступны специальные микропереключатели, которые выбираются опционально (Рис.14).

Рис.14. Микропереключатели индикации срабатывания прямоугольныхпредохранителей

Области применения быстродействующих предохранителей

Широкое распространение силовых полупроводниковых преобразователей определило рост применения быстродействующих предохранителей. Силовые полупроводниковые преобразователи используются для экономичного преобразования электрической энергии при автоматизации производственных процессов, механизации трубопрокатных и трубоэлектросварочных производств, питания и управления компрессорами и насосными станциями нефте- и газопроводов, горнодобывающей промышленности. Остановимся на специфике применения быстродействующих предохранителей в отдельных отраслях.

Компания Bussmann имеет специально разработанные решения для применения на железнодорожном и электротранспорте. Специфика определяется в первую очередь применением в цепях постоянного тока для большого диапазона токов и напряжений. Об особенностях применения в цепях постоянного тока мы уже говорили выше, в частности, в связи с более сложным процессом гашения дуги требуется использование более качественных материалов и увеличение физических размеров предохранителя. Особенностью тяговых преобразователей электроподвижного состава является к тому же эксплуатация в условиях непрерывных механических воздействий, циклических токовых перегрузок, большой индуктивности нагрузки, широкого диапазона климатических факторов, что накладывает ужесточение требований к применяемым предохранителям. В линейке для железнодорожного и электротранспорта у Bussmann есть предохранители для тяговых преобразователей, систем управления и контроля, преобразователей напряжения, вспомогательных систем подвижного состава (Рис.15).

Рис.15. Применение предохранителей Bussmann в цепях подвижного состава

Ещё одной характерной областью применения быстродействующих предохранителей Bussmann является металлургическая отрасль.

Производство стали в дуговых сталеплавильных печах требует токов до 100кА при напряжении более 1000 В. Процесс хлорного электролиза требует постоянных токов до 300-350kA и напряжения до 1000 В постоянного тока. Медь, цинк, свинец, никель, кадмий и т.п производятся также с применением больших токов. Для питания электролизных ванн в цветной металлургии применяются силовые выпрямительные установки на номинальный ток до 100 кА при напряжении до 1000 В. Эти установки характеризуются большим количеством параллельно соединённых выпрямительных модулей и необходимостью обеспечения непрерывности питания. В ряде случаев, при аварии, вызванной одиночным отказом полупроводникового модуля, когда аварийный ток достигает 150-200 кА, возможно образование дуги, сопровождаемое взрывом. Взрывы полупроводников, вызванные отсутствием, либо невысоким качеством защитных устройств, приводят к тяжёлым последствиям — разрушению конструкции преобразователя, нарушению сложных технологических процессов, дорогостоящему ремонту. Быстродействующий предохранитель призван при пробое соответствующего полупроводника (тиристора, IGBT), соединённого последовательно с ним, своевременно сработать и отключить его, и это не должно критически сказаться на работе преобразователя. Для удовлетворения растущего спроса на допустимые нагрузочные способности по току специалистами Bussmann был разработан предохранитель 5 размера в единой конструкции, которая оптимизирует температурный режим предохранителя как при принудительном обдуве, так и при одно- или двустороннем водяном охлаждении (Рис.16).

Рис.16. Специальные предохранители Bussmann 5 размера для металлургической отрасли

Ещё одно достаточно специфичное применение предохранителей Bussmann- оборудование солнечной энергетики (Рис.17). Солнечные системы для выработки электроэнергии состоят из массивов фотоэлементов и инверторов. Предохранители используются как для защиты линеек элементов солнечных панелей, подмассивов и массивов, так и для защиты связанных инверторов. Особенности солнечной энергетики — высокое напряжение постоянного тока, низкий выходной ток, очень низкие токи короткого замыкания, чувствительность к повреждению перенапряжением определяют и специфику защитных устройств. Bussmann производит весь спектр предохранителей для оборудования солнечных систем. В диапазоне есть цилиндрические предохранители с различным исполнением контактов для защиты линеек фотоэлементов (10×38мм 600В, 14×51мм 1000V/1100В, 14×65 мм 1300/1500В постоянного тока), а также прямоугольные предохранители разных типоразмеров на 1000/1500 В постоянного тока для защиты целых массивов. В ассортименте также различные держатели и прочие аксессуары. Предохранители с характеристикой gPV способны срабатывать при токе, всего в 1.3 превышающем номинальный, что является их характерной особенностью.

Рис.17. Предохранители с характеристикой gPV для защиты солнечных батарей

Также стоит напомнить о широком применении быстродействующих предохранителей в цепях защиты полупроводников частотных преобразователей, устройств плавного пуска, приводов электродвигателей, использующихся в составе производственного оборудования различных отраслей промышленности, источников бесперебойного питания, преобразователей напряжения, оборудования альтернативных источников энергии и т.д.

Компания Bussmann является ведущей компанией в мире по количеству моделей плавких предохранителей, выпускаемых на множестве её заводов по всему миру. Однако, в связи с большим количеством подделок на рынке, необходимо быть уверенными, что приобретаемые вами предохранители являются оригинальным продуктом Bussmann. Избежать приобретения неоригинальной продукции можно, обращаясь к официальному представителю Bussmann в России — компании «Айтекс». Более подробно познакомиться с технической информацией и подобрать нужную модель предохранителя можно на сайте www.bussfuse.ru.

2. IEC 60 269 — 1 Low voltage fuses. Part 1. General requirements.

3. High Speed Fuse Application Guide, Cooper Industries plc, USA, 2010.

4. Намитоков К.К.и др. Аппараты для защиты полупроводниковых устройств.

М.: Энергоатомиздат, 1988г.

Автор: Руслан Черекбашев

Основные характеристики плавких предохранителей

Для плавкого предохранителя, как и для всякого аппарата, од­ной из основных характеристик является номинальное напряжение (Uном.) — это междуполюсное напряжение, равное номинальному междуфазному напряжению электрических сетей, для работы в которых предназначен предохранитель.

Предохранители характеризуют также следующими величинами:

1) Номинальный ток предохранителя (Iном.), представляющий со­бой наибольший допустимый по условиям нагрева частей предохра­нителя ток нагрузки в продолжительном режиме. Номинальный ток предохранителя совпадает с номинальным током заменяемого эле­мента.

2) Номинальный ток заменяемого элемента предохранителя Iном.э – это наибольший допустимый по условиям нагрева частей заменяемого элемента ток нагрузки в продолжительном режиме при установке элемента в контактах или в держателе, предназначенного для него основания.

3) Номинальный ток основания предохранителя Iном.ос — наибольший допустимый по условиям нагрева частей основания ток нагруз­ки в продолжительном режиме при установленном в основании заменяемом элементе на тот же самый ток.

4) Номинальный ток патрона предохранителя (Iном.п) наибольший допустимый по условиям нагрева частей патрона ток нагрузки в продолжительном режиме при его установке вместе с концевыми держателями (при их наличии) в контактах, предназначенного для него основания.

Важнейшей защитной характеристикой предохранителя является времятоковая характеристика, приведенная на рисунке 1.1, т.е. зависимость времени плавления вставки от действующего значения тока. Обычно эти харак­теристики строятся для полного диапазона номинальных токов плавких вставок предохранителей определенного типа и дают возможность выбрать предохранитель для защиты конкретного объекта. По оси абсцисс откладывается действующее значение периодической составляю­щей тока, а по оси ординат — время плавления в секундах (масштаб логарифмический).

Как видно из рисунка 1.1, предохранитель надежно защищает объект при больших перегрузках, при малых перегрузках его защитные функ­ции выражены слабее. Верхняя часть кривой время-токовой характе­ристики показывает, что при небольших изменениях нагрузки, напри­мер, от 2Iном. до 3Iном. время плавления плавкой вставки может изменяться в широком диапазоне – от 3600 до 10 секунд. Допускается некоторая нестабильность этой характеристики в области малых пере­грузок. Так, одночасовой ток плавления должен находиться в преде­лах от 1,3 до 2Iном.

Рисунок 1.1 – Время-токовая характеристика предохранителя

Наряду с защитной характеристикой используется характеристика наибольшего времени горения дуги (см. рисунок 1.2) — зависимость времени горения дуги от отношения действующего значения периодической составляющей ожидаемого тока, соответствующего моменту возникновения дуги, к номинальному току Iном. При отношении, равном или превышающем 100, время должно быть не более 0,01 сдля предохранителей с кварцевым мелкозернистым наполнителем и 0,05 — 0,08 с — для выхлопных (см. рисунок 1.3). Сумма времени плавления вставки и времени горения дуги дает полное время отключения. Под ожидаемым током понимается ток, который протекал бы в цепи, в которой установлен предохрани­тель, если бы предохранитель был заменен закороткой с пренебрежимо малым полным сопротивлением. Способность предохранителя вы­держивать перегрузки при сквозных токах, а также их многократное воздействие определяются время-токовой характеристикой предельно допустимых перегрузок, которая строится на основе время-токовой характеристики плавления в диапазоне времени от 0,01 до 90 с путем умножения ее абсцисс на коэффициент, значение которого опре­деляется в процессе предварительных испытаний, где Iпл 10, Iпл 0,01 — токи плавления при времени 10 и 0,01 с соответст­венно. При наибольшем рабочем напряжении предохранитель должен отключить весь диапазон токов — от одночасового тока плавления для предохранителей класса 1 или минимального тока отключения — для предохранителей класса 2, до номинального тока отклю­чения, при любом моменте возникновения КЗ относительно нуля синусоиды напряжения сети. При этом кривая собственного переходно­го восстанавливающего напряжения цепи в месте установки предох­ранителя при ожидаемом номинальном токе отключения не должна быть выше нормированной граничной линии, проведенной из начала координат в координатах напряжения-времени (см. рисунок 1.3).

Рисунок 1.2 — Характеристика наибольшего времени горения предохранителей серий ПК, ПКН, ПКТ Рисунок 1.3 — Построение время-токовой характеристики плавления

Наклон этой граничной кривой определяет скорость нарастания восстанавливающегося напря­жения.

Эффект токоограничения заключается в том, что при большом токе тонкая проволока плавкой вставки плавится и испаряется за тысячные доли секунды по всей длине.

В канале дугового разряда создается вы­сокое давление, интенсивно проходят процессы деионизации дугового столба, сопротивление дуги резко возрастает, ограничивая ток и сре­зая его до нулевого значения — до момента естественного перехода тока через ноль, т.е. много раньше, чем ток в цепи при КЗ успева­ет достигнуть установившегося значения (штриховая кривая) на рисунке 1.4.

Таким образом, величина тока КЗ ограничивается в 2-5 раз. Возника­ющие при срезе тока ЭДС самоиндукции, накладываясь на напряжение сети, создают коммутационные перенапряжения. Специальными конструктивными мерами наибольшие допустимые перенапряжения, возникаю­щие между выводами токоограничивающего предохранителя при отключе­нии, ограничивают так, чтобы они не превышали следующих значений:

Номинальное напряжение, кВ 3 6 10 20 35

Наибольшее допустимое напряжение,

максимальное значение, кВ 12 23 38 75 126

Рисунок 1.4 — Отключение тока КЗ токоограничивающим предохранителем

Характеристики токоограничения предохранителей выражаются за­висимостью наибольшего мгновенного значения тока от действующего значения ожидаемого симметричного тока, как это показано на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 — Зависимость наибольшего мгновенного значения тока I1 от действующего значения тока I2 для номинальных токов плавких вставок (характеристика тока – отражения) предохранителей серии ПК

Характеристи­ки построены для плавких вставок на различные номинальные токи. Эффект токоограничения с определенных значений включаемого тока, зависящих от номинального тока плавкой вставки, должен начинаться при кратности ожидаемого симметричного тока к номинально­му току вставки не более 40.

Дата добавления: 2015-11-23 ; просмотров: 1854 | Нарушение авторских прав

Защитная характеристика предохранителя

Способность предохранителя защитить оборудование от губительного действия сверхтоков определяется его защитной характеристикой. Эта характеристика представляет зависимость времени действия предохранителя от тока, и потому ее называют время-токовой характеристикой. Наиболее важной является зависимость времени плавления tj от действующего значения ожидаемого сверхтока. Функция tj(I) существенно нелинейна и в области малых значений времени описывается уравнением

где константа Dms зависит от материала плавкого элемента; S — площадь поперечного сечения плавкого элемента; / — ожидаемый ток х при коротком замыкании.

Поскольку предохранитель может ограничивать реальный ток КЗ, его токоограиичивающую способность характеризуют зависимостями интеграла Джоуля за время отключения (/ [1] [2] ?)откл от ожидаемого тока КЗ /ож:

По определению интеграл Джоуля имеет вид

и численно равен тепловой энергии, выделяющейся на сопротивлении 1 Ом за время t. Таким образом, интеграл Джоуля за время отключения характеризует термическое действие тока КЗ при отключении этого тока предохранителем. Время отключения состоит из преддугового времени и времени горения дуги. Преддуговое время — это время от возникновения тока, достаточного для расплавления плавкого элемента, до возникновения дуги.

Время-токовая характеристика предохранителя в реальных условиях подвержена разбросу времени и соответствующего тока. Типичные защитные характеристики плавкой вставки представлены на рис. 2.2.

Ограничивая возможный разброс этих характеристик, с учетом российского и международного стандартов [1] для предусмотренного условного времени (1 или 2 ч) задают значения Inj — условного тока неплав- ления и Ij — условного тока плавления. При условном токе неплавления плавкий элемент может расплавиться за время не меньшее, чем условное. При условном токе плавления плавкий элемент должен расплавиться за время, не превосходящее условного значения.

Граничные характеристики задают с учетом значений пороговых токов и соответствующего им времени плавления, как эго показано на рис. 2.2, где /min (10 с) — минимальное значение тока, при котором преддуговое время составляет не менее 10 с; /тах (5 с) — максимальное значение тока, при котором время отключения составляет не более 5 с; /min (0,1 с) — минимальное значение тока, при котором преддуговое время составляет не менее 0,1 с;

/тах (0,1 с) — максимальное значение тока, при котором время отключения составляет нс более 0,1 с.

Рис. 2.2. Время-токовые характеристики:

1 — границы зоны время-токовой характеристики; 2 — фактические результаты испытаний

Плавкие вставки предохранителей делят па два типа. Если время-токовая характеристика задана во всем диапазоне знначсний тока, допустимых для предохранителя вплоть до возможных максимальных токов при отключении, то вставка принадлежит к типу, обозначаемому буквой g. Если время-токовая характеристика определена только при больших значениях тока, например только для значений тока больших, чем четырехкратный номинальный ток, то плавкая вставка маркируется буквой а. Категория плавкой вставки определяет ее возможное использование. Плавкие вставки общего назначения относят к категории, обозначаемой G, а вставки, используемые для защиты электродвигателей, обозначают буквой М. Таким образом, возможны плавкие вставки, маркированные как gG, gMy аМ и редко встречаются aG.

Плавкие предохранители

Плавкий предохранитель представляет собой однополюсный коммутационный аппарат, предназначенный для защиты электрических цепей от сверхтоков; действие его основано на плавлении током металлической вставки небольшого сечения и гашении образовавшейся дуги.

Ценными свойствами плавких предохранителей являются:

  • простота устройства и, следовательно, низкая стоимость;
  • исключительно быстрое отключение цепи при КЗ;
  • способность предохранителей некоторых типов ограничивать ток КЗ.

Следует, однако, указать, что:

  • характеристики предохранителей таковы, что они не могут быть использованы для защиты цепей при перегрузках;
  • избирательность отключения участков цепи при защите ее предохранителями может быть обеспечена только в радиальных сетях;
  • автоматическое повторное включение цепи после ее отключения предохранителем возможно только при применении предохранителей многократного действия более сложной конструкции;
  • отключение цепей плавкими предохранителями связано обычно с перенапряжениями;
  • возможны однополюсные отключения и последующая ненормальная работа участков системы.

Поэтому в электроустановках свыше 1 кВ предохранители имеют ограниченное применение; их используют в основном для защиты силовых трансформаторов, измерительных трансформаторов напряжения и статических конденсаторов.


Плавкий предохранитель состоит из следующих основных частей: изолирующего основания или металлического основания с изоляторами, контактной системы с зажимами для присоединения проводников, патрона с плавкой вставкой. Большинство предохранителей имеет указатели срабатывания той или иной конструкции.

Предохранители характеризуют номинальным напряжением, номинальным током и номинальным током отключения. Следует различать номинальный ток плавкой вставки и номинальный ток предохранителя (контактной системы и патрона). Последний равен номинальному току наибольшей из предназначенных к нему вставок. Для предохранителей переменного тока с номинальным напряжением от 3 до 220 кВ включительно установлены следующие значения номинальных токов:

Номинальные токи предохранителей, А. 8; 10; 20; 32; 40; 50; 80; 160; 200; 320; 400

Номинальные токи плавких вставок, А. 2; 3,2; 5; 8; 10; 16; 20; 32; 40; 50; 80; 160; 200; 320; 400

Номинальные токи отключения, кА. 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40

Под номинальным током отключения следует понимать наибольшее допускаемое действующее значение периодической составляющей тока КЗ, отключаемого предохранителем при определенных условиях. Отечественные аппаратные заводы выпускают плавкие предохранители для напряжений до 110 кВ включительно.

Наибольшая температура частей предохранителя, заряженного любой из предназначенных для него плавких вставок, не должна превышать значений, указанных в табл.1 при температуре воздуха +40°С.

Таблица 1

Наибольшие допустимые температуры частей предохранителей

Защитные характеристики плавких предохранителей

Защитные характеристики представляют собой зависимости времени плавления tпл или времени отключения цени tот от соответствующих значений тока, неизменного во времени (рис.1).

Рис.1. Примерный вид защитных характеристик плавких предохранителей

Интервалы времени установлены в пределах от 0,01 с до 1 ч. Защитные характеристики предохранителей необходимы для координации их действия с действием других предохранителей и выключателей. Они могут быть получены только при испытании и сообщаются заводами-изготовителями по запросам. Как видно из рисунка, по мере увеличения номинального тока плавкой вставки характеристики смещаются вправо. Значение тока, при котором плавкая вставка предохранителя плавится в течение 1 ч, должно быть более 130% и менее 200% номинального тока вставки.

Коммутационная способность предохранителей

Предохранитель должен отключать при наибольшем рабочем напряжении любой ток в пределах от тока, плавящею вставку в течение 1 ч, до номинального тока отключения независимо от момента начала КЗ, т.е. при любой асимметрии тока. При этом не должны иметь место разрушения патрона или повреждения частей предохранителя.

Газогенерирующие плавкие предохранители

Газогенерирующие плавкие предохранители (их называют также стреляющими предохранителями) предназначены для наружной установки в устройствах 35 и 110 кВ.

Рис.2. Патрон газогенерирующего плавкого предохранителя типа ПВТ-35

На рис.2 показан патрон предохранителя типа ПВТ-35 (предохранитель выхлопной для защиты силовых трансформаторов и линий напряжением 35 кВ). В корпус патрона 1 помещены трубки 2 и 3 из винипласта, соединенные между собой стальным патрубком 4, а также плавкая вставка 5, прикрепленная одним концом к токоведущему стержню 6, а вторым — к гибкому проводнику 7 с наконечником 8.

Рис.3. Газогенерирующий плавкий предохранитель типа ПВТ-35

Патрон устанавливается на основании предохранителя (рис.3), состоящем из цоколя 1, двух опорных изоляторов 2 с головками — верхней 3 и нижней 4 с зажимами для крепления проводников. На нижней головке укреплен контактный нож 5, снабженный пружиной и сцепленный с наконечником патрона. При перегорании плавкой вставки контактный нож освобождается и, откидываясь под действием пружины, тянет за собой гибкий проводник. Под действием дуги стенки винипластовых трубок выделяют газ, давление в патроне повышается и дуга гасится в потоке газа, вытекающего из патрона через нижнее отверстие, а также через клапан бокового отверстия патрубка. Срабатывание предохранителя сопровождается звуковым эффектом, похожим на ружейный выстрел. Гибкий проводник выбрасывается из патрона. Между контактным ножом и концом трубки образуется воздушный промежуток, обеспечивающий изоляцию в месте разрыва. Номинальный ток отключения предохранителя типа ПВТ-35 составляет 3,2 кА.

Кварцевые предохранители

Кварцевые предохранители изготовляют для напряжений 6, 10 и 35 кВ для внутренней и наружной установки. Они относятся к группе токоограничивающих предохранителей.

Рис.4. Патрон кварцевого предохранителя типа ПКТ-10

Патрон предохранителя типа ПКТ для напряжений 3-35 кВ (рис.4) представляет собой фарфоровую или стеклянную трубку 1, плотно закрытую металлическими колпачками 2. Внутри трубки помещена плавкая вставка 3 в виде одной или нескольких параллельно включенных тонких медных проволок. В нижнем колпачке предусмотрен указатель срабатывания предохранителя 4. Патрон заполнен мелким кварцевым песком.

Длина проволок и, следовательно, длина патрона определяются номинальным напряжением. Поскольку градиент восстанавливающейся электрической прочности промежутка в кварцевом песке относительно невелик, длина проволоки должна быть велика. Чтобы поместить ее в патроне, приходится навивать проволоку винтообразно.

Характеристики тугоплавких вставок из меди (температура плавления 1080°С) могут быть улучшены напайкой капель олова или свинца, температура плавления которых значительно ниже (соответственно 200 и 327°С). При расплавлении металла напайки он растворяет в себе медь, вследствие чего вставка быстро разрушается при температуре значительно более низкой, чем температура плавления основного материала вставки.

Свойства материала, наполняющего патрон токоограничивающего предохранителя, существенно влияет на работу последнего.

Наполнитель должен удовлетворять следующим требованиям:

  • отводить тепло от плавкой вставки в нормальном рабочем режиме;
  • не выделять газа под действием высокой температуры дуги;
  • обладать достаточной электрической прочностью после разрыва цепи.

Как показал опыт, этим требованиям в наибольшей мере отвечает кварцевый песок.

Процесс отключения цепи токоограничивающим предохранителем при КЗ протекает следующим образом. При большом токе тонкая проволока плавится и испаряется в течение долей полупериода почти одновременно по всей длине. Зажигается дуга. Вследствие высокой температуры газа в канале дуги образуется местное давление (давление в патроне практически не повышается).

Ионизованные частички металла выбрасываются в радиальном направлении в зазоры между песчинками кварца. Здесь они быстро охлаждаются и деионизуются. Сопротивление дуги увеличивается настолько быстро, что ток резко снижается, не достигнув своего максимального значения, а напряжение на дуговом промежутке повышается (рис.5).

Рис.5. Осциллограммы тока и напряжения
при отключении предохранителем типа ПКТ
тока 20 кА при напряжении 6 кВ

Как видно из осциллограммы, напряжение у зажимов предохранителя превышает напряжение сети вследствие появления ЭДС самоиндукции, направленной согласно с напряжением сети. Коммутационные перенапряжения, возникающие при отключении цепи плавкими предохранителями, не должны превышать следующих значений:

Номинальное напряжение, кВ. 3..6..10..20..35

Наибольшее допустимое перенапряжение по отношению к земле, кВ. 16..26..40..82..126

Для ограничения перенапряжений принимают различные меры: применяют вставки ступенчатого сечения по длине, что затягивает процесс их плавления и удлинения дуги; параллельно основным рабочим вставкам включают вспомогательные вставки с искровым промежутком. В последнем случае при расплавлении рабочих вставок и резком повышении напряжения пробивается искровой промежуток вспомогательной вставки, которая также сгорает. Максимальное напряжение при этом уменьшается.

Токоограничивающая способность кварцевых предохранителей

Токоограничивающая способность кварцевых предохранителей характеризуется зависимостью наибольшего мгновенного значения пропускаемого предохранителем тока от периодической составляющей тока КЗ. Характер этой зависимости показал на рис.6.

Рис.6. Характеристики токоограничения кварцевых предохранителей

Наклонная прямая iуд дает значение ударного тока, соответствующего току Iп0 при отношении X/R=15,7 (Тa=0,05с). Наклонные прямые, обозначенные imax, определяют наибольшие мгновенные значения тока, пропускаемого предохранителями с номинальными токами плавких вставок Iном1, Iном2, Iном3 и т.д. Как видно из рисунка, ограничение тока имеет место при отключаемом токе Iп0, превышающем некоторое минимальное значение, зависящее от номинального тока вставки. Чем меньше последний, тем заметнее токоограничивающее действие предохранителя.

Кварцевые предохранители для защиты измерительных трансформаторов напряжения типа ПКН имеют неограниченную отключающую способность и могут быть установлены в РУ 6, 10, 35 кВ станций, подстанций большой мощности. Они отличаются от обычных кварцевых предохранителей типа ПК материалом плавкой вставки, изготовляемой из константановой проволоки с четырехступенчатым сечением. При КЗ плавление проволоки происходит ступенями. При этом сопротивление четвертой ступени (относительно большого сечения) служит в основном для ограничения тока КЗ до значений, соответствующих номинальному току отключения предохранителей типа ПК.

Выбор плавких предохранителей

При выборе плавких предохранителей руководствуются следующими условиями.

1) Номинальное напряжение предохранителя должно соответствовать поминальному напряжению установки.

2) Номинальный ток вставки должен быть выбран так, чтобы она не расплавлялась в утяжеленном режиме, когда рабочий ток имеет наибольшее значение. Вставка не должна также плавиться в переходных режимах, например при включении силового трансформатора, когда броски намагничивающего тока достигают 8-10-кратного значения номинального тока трансформатора. У измерительных трансформаторов напряжения бросок намагничивающею тока достигает 150Iном. Наконец, номинальный ток вставки должен быть выбран так, чтобы обеспечить избирательности отключения при КЗ.

3) Номинальный ток отключена предохранителя не должен быть меньше периодической составляющей тока КЗ (действующего значения за первый период), т.е. Iоткл.ном≥Iп0

Значение наибольшего мгновенного тока, пропускаемого токоограничивающими предохранителями, не должно превышать допустимых токов аппаратов в защищаемой части сети.

Глава 5. Элементы защитного оборудования Предохранители. Общие сведения

Предохранители — это электрические аппараты, предназначенные для защиты электрических цепей от токовых перегрузок и токов КЗ. Основными элементами предохранителя являются плавкая вставка, включаемая последовательно с защищаемой цепью, и дугогасительное устройство

К предохранителям предъявляются следующие требования.

Времятоковая характеристика предохранителя должна проходить ниже, но возможно ближе к времятоковой характеристике защищаемого объекта.

Время срабатывания предохранителя при КЗ должно быть минимально возможным, особенно при защите полупроводниковых приборов. Предохранители должны работать с токоограничением (§ 4.3).

При КЗ в защищаемой цепи предохранители должны обеспечивать селективность защиты.

4. Характеристики предохранителя должны быть стабильными, а технологический разброс их параметров не должен нарушать надежность защиты.

В связи с возросшей мощностью установок предохранители должны иметь высокую отключающую способность.

Конструкция предохранителя должна обеспечивать возможность быстрой и удобной замены плавкой вставки при ее перегорании.

Нагрев плавкой вставки при длительной нагрузке

Основной характеристикой предохранителя является времятоковая характеристика, представляющая собой зависимость времени плавления вставки от протекающего тока. Для совершенной защиты желательно, чтобы времятоковая характеристика предохранителя (кривая 1 на рисунке 5.1) во всех точках шла немного ниже характеристики защищаемой цепи или объекта (кривая 2 на рисунке 5.1). Однако реальная характеристика предохранителя (кривая 3) пересекает кривую 2. Поясним это. Если характеристика предохранителя соответствует кривой 1, то он будет перегорать из-за старения или при пуске двигателя. Цепь будет отключаться при отсутствии недопустимых перегрузок. Поэтому ток плавления вставки выбирается больше номинального тока нагрузки. При этом кривые 2 и 3 пересекаются. В области больших перегрузок (область Б) предохранитель защищает объект. В области А предохранитель объект не защищает.

При небольших перегрузках (1,5 — 2) IН0М нагрев предохранителя протекает медленно. Большая часть тепла отдается окружающей среде. Сложные условия теплоотдачи затрудняют расчет плавкой вставки.

Ток, при котором плавкая вставка сгорает при достижении ею установившейся температуры, называется пограничным током Iпогр..

Рисунок 5.1. Согласование характеристик предохранителя и защищаемого объекта

Для того чтобы предохранитель не срабатывал при номинальном токе Iном, необходимо Iпогр Iном, н. С другой стороны, для лучшей защиты значение Iпогр должно быть возможно ближе к номинальному. При токах, близких к пограничному, температура плавкой вставки должна приближаться к температуре плавления.

В связи с тем, что время плавления вставки при пограничном токе велико (более 1 ч) и температура плавления ее материала составляет много сотен градусов Цельсия, все детали предохранителя нагреваются до высоких температур. Происходит тепловое старение плавкой вставки.

Для снижения температуры плавления вставки при ее изготовлении применяются легкоплавкие металлы и сплавы. Материалы плавких вставок и их свойства даны в таблице 5.1.

Примечание: θдоп — допустимая температура плавкой вставки при длительном протекании тока; θпл — температура плавления вставки; А’ и А» — коэффициенты, определяющие время плавления при КЗ. Время нагрева плавкой вставки от начальной температуры до полного ее разрушения определяется суммой коэффициентов А’ + А».

Наименьшую температуру плавления имеет свинец. Но удельное сопротивление свинца в 12 раз выше, чем у меди, Для того чтобы при прохождении данного тока вставка нагрелась до допустимой температуры (150°С), ее сечение должно быть значительно больше, чем сечение вставки из меди.

При плавлении вставки пары металла ионизируются в возникающей дуге благодаря высокой температуре. Из-за большого объема вставки ко­личество паров металла в дуге велико, что затрудняет ее гашение и умень­шает предельный ток, отключаемый предохранителем. Из-за этих особен­ностей вставок из легкоплавких металлов широкое распространение полу­чили медные и серебряные плавкие вставки с металлургическим эффектом, который объясняется ниже. На тонкую медную проволоку (диаметром ме­нее 0,001 м) наносится шарик из олова. При нагреве вставки сначала пла­вится олово, имеющее низкую температуру плавления (232°С). В месте контакта олова с проволокой начинается растворение меди и уменьшение ее сечения. Это вызывает увеличение сопротивления и повышение потерь в этой точке. Процесс длится до тех пор, пока медная проволока не распла­вится в точке расположения оловянного шарика. Возникшая при этом дуга расплавляет проволоку на всей длине. Применение оловянного шарика снижает среднюю температуру плавления вставки до 280°С.

Отношение Iпогр / Iном уменьшается до 1,2, что дает улучшение время-токовой характеристики.

Стабильность времятоковой характеристики в значительной степени зависит от окисления плавкой вставки, Свинец и цинк образуют на воздухе пленку оксида, которая предохраняет вставку от изменения сечения. Мед­ная вставка при длительной работе и высокой температуре интенсивно окисляется. Пленка оксида при изменении температурного режима отслаи­вается, и сечение вставки постепенно уменьшается. В результате плавкая вставка перегорает при номинальном токе, если ее температура при токе, близком к пограничному, выбрана высокой. В таблице 5.1 приведены ре­комендуемые допустимые температуры Oдоп вставок при номинальном то­ке. Температура медной вставки при токе, близком к номинальному, долж­на быть значительно ниже температуры плавления. Поэтому приходится завышать сечение вставки и тем самым увеличивать отношение Iпогр / Iном примерно до 1,8, что ухудшает защитные свойства предохранителя.

Серебряные плавкие вставки не подвержены тепловому старению, и для них отношение Iпогр / Iном определяется только нагревом.

У вставок из легкоплавких материалов эксплуатационная температура ближе к температуре плавления, что позволяет снизить отношение Iпогр / Iном до 1,2—1,4.

В настоящее время в качестве материала плавкой вставки начали применять алюминий. Пленка оксида на поверхности вставки защищает алюминий от коррозии и делает характеристику предохранителя стабильной. Большее удельное сопротивление материала компенсируется увеличением сечения вставки. Алюминий имеет температуру плавления ниже, чем у меди (658 против 1083 °С).

Времятоковые характеристики предохранителей со вставками постоянного сечения из легкоплавкого металла хорошо согласуются с характеристиками силовых трансформаторов и других подобных объектов. Это объясняется низкой температурой плавления, стойкостью против коррозии и малой теплопроводностью материала таких вставок.

Медная вставка из-за высокой теплопроводности, высокой температуры плавления и большого отношения Iпогр / Iном в области малых перегрузок не обеспечивает защиту объекта (область А, рис. 5.1).

Нагрев плавкой вставки при коротком замыкании

Если ток, проходящий через вставку, в 3—4 раза больше номиналь­ного, то практически процесс нагрева идет адиабатически, т.е. все тепло, выделяемое плавкой вставкой, идет на ее нагрев.

Время нагрева вставки до температуры плавления

где А’ — постоянная, определяемая только свойствами материала и от размера вставки не зависящая; q — поперечное сечение вставки; Iк — ток, протекающий по вставке при КЗ защищаемой цепи; Jк — плотность тока во вставке.

После того как температура плавкой вставки достигла температуры плавления, для перехода вставки из твердого состояния в жидкое ей необ­ходимо сообщить тепло, равное скрытой теплоте плавления.

Где р1, — удельное сопротивление материала вставки при темпера­туре плавления; р2 — удельное сопротивление материала вставки в жид-

По мере того как часть плавкой вставки из твердого состояния пере­йдет в жидкое, ее удельное сопротивление резко увеличится (в десятки раз). Время перехода из твердого состояния в жидкое

ком состоянии; γ — плотность материала вставки; L — скрытая теплота плавления на единицу массы материала вставки.

Значения постоянных A’и A» для наиболее часто применяемых мета­ллов даны в табл. 5.1. В действительности процесс плавления идет более сложно. Как только появится жидкий участок вставки, электродинамичес­кие силы, сжимающие проводник , образуют суженные участки. В этих участках возрастает плотность тока и повышается температура. Уменьше­ние сечения вставки создает разрывающие усилия, аналогичные силам в контактах при КЗ. Таким образом, как правило, дуга загорается раньше, чем вставка полностью перейдет в жидкое состояние.

Основным параметром предохранителя при КЗ является предельный ток отключения — ток, который он может отключить при возвращающемся напряжении, равном наибольшему рабочему напряжению.

Время существования дуги зависит от конструкции предохранителя. Полное время отключения цепи предохранителем

*пр = 41 л «I ^nepei «Т» ‘дугп-Для предохранителя со вставкой, находящейся в воздухе,

где коэффициенты n = 3 учитывает преждевременное разрушение вставки, а k0= 1,2-1,3 учитывает длительность горения дуги.

В предохранителях с наполнителем (закрытого типа) разрушение вставки до полного ее плавления менее вероятно. Время отключения цепи предохранителем

Коэффициент kд= 1,7-2 учитывает длительность горения дуги.

Плавление вставки переменного сечения происходит в перешейках с наименьшим сечением. Процесс нагрева перешейка протекает так быстро, что тепло почти не успевает отводиться на участки повышенного сечения. Наличие перешейков уменьшенного сечения позволяет резко снизить время с момента начала КЗ до появления дуги. Процесс гашения дуги начинается до момента достижения током КЗ установившегося или даже амплитудного значения. Дуга образуется через время t1 после начала КЗ, когда ток в цепи значительно меньше установившегося значения Iк, уст.

Средства дугогашения позволяют погасить дугу за миллисекунды. При этом проявляется эффект токоограничения, показанный на рисунке 5.2. При отключении поврежденной цепи с токоограничением облегчается

гашение дуги, так как отключается не установившийся ток КЗ, а ток, опре­деляемый временем плавления вставки.

Рисунок 5.2. Отключение постоянного и переменного тока предохранителем с токоограничением.

С ростом номинального тока возрастает, естественно и минимальное сечение вставки. Увеличение этого сечения приводит к возрастанию длительности плавления вставки и уменьшению эффекта токоограничения. Интенсивный отвод тепла от вставки при номинальном режиме позволяет выбрать уменьшенное сечение вставки и повысить эффект токоограничения.

Конструкция предохранителей низкого напряжения

Предохранители с гашением дуги в закрытом объеме.

Предохранители на токи от 15 до 60 А имеют упрощенную конструкцию. Плавкая вставка 1 прижимается к латунной обойме 4 колпачком 5, который является выходным контактом (рисунок 5.3, а). Плавкая вставка 1 штампуется из цинка, являющегося легкоплавким и стойким к коррозии материалом. Указанная форма вставки позволяет получить благоприятную времятоковую (защитную) характеристику. В предохранителях на токи более 60 А плавкая вставка 1 присоединяется к контактным ножам 2 с помощью болтов (рисунок 5.3, б).

Вставка располагается в герметичном трубчатом патроне, который состоит из фибрового цилиндра 3, латунной обоймы 4 и латунного колпачка 5.

При отключении сгорают суженные перешейки плавкой вставки, после чего возникает дуга. Под действием температуры дуги фибровые стенки патрона выделяют газ, в результате чего давление в патроне за доли полупериода поднимается до 4—8 МПа. За счет увеличения давления поднимается вольт-амперная характеристика дуги, что способствует ее быстрому гашению.

Плавкая вставка может иметь от одного до четырех сужений (рисунок 5.3, в) в зависимости от номинального напряжения. Суженные участки вставки способствуют быстрому ее плавлению при КЗ и создают эффект токоограничения.

Рис. 5.3. Предохранитель типа ПР-2

Поскольку гашение дуги происходит очень быстро (0,002 с), можно считать, что уширенные части вставки в процессе гашения остаются неподвижными. Рассмотрим вставку с четырьмя перешейками. После их перегорания образуются четыре разрыва. На каждом катоде разрыва восстанавливается электрическая прочность около 200 В, а суммарная прочность предохранителей достигает 800 В. Это явление наряду с высоким давлением позволяет надежно гасить дугу при напряжении источника до 500 В.

Давление внутри патрона пропорционально квадрату тока в момент плавления вставки и может достигать больших значений. Поэтому фибровый цилиндр должен обладать высокой механической прочностью, для чего на его концах установлены латунные обоймы 4. Диски 6, жестко связанные с контактными ножами 2, крепятся к обойме патрона 4 с помощью колпачков 5.

Предохранители работают бесшумно, практически без выброса пламени и газов, что позволяет устанавливать их на близком расстоянии друг от друга.

Предохранители выпускаются двух осевых размеров — короткие и длинные. Короткие предназначены для работы на переменном напряжении, не выше 380 В. Они имеют меньшую отключающую способность, чем длинные, рассчитанные на работу в сети с напряжением до 500 В.

В зависимости от номинального тока выпускается шесть габаритов патронов различных диаметров. В патроне каждого габарита могут устанавливаться вставки на различные номинальные токи. Так, в патроне на номинальный ток 15 А могут быть установлены вставки на ток 6, 10 и 15 А.

В таблице 5.2 приведены значения испытательных токов для предохранителя типа ПР-2.

Кратность испытательного тока

тельного тока, ч

Различают нижнее и верхнее значения испытательного тока. Нижнее значение испытательного тока — это максимальный ток, который, протекая в течение 1 ч, не приводит к перегоранию предохранителя. Верхнее значение испытательного тока — это минимальный ток, который, проходя в течение 1 ч, плавит вставку предохранителя. С достаточной точностью можно принять пограничный ток равным среднеарифметическому испытательных токов.

Предохранители типа ПР-2 обладают токоограничением. Так, в цепи с током КЗ 50 000 А плавкая вставка на номинальный ток 6 А перегорает при токе всего 400 А. Однако чем больше номинальный ток, тем меньше эффект токоограничения. При номинальном токе 600 А токоограничение отсутствует, так как дуга горит весь полупериод.

Предохранители с мелкозернистым наполнителем.

Рисунок 5.4. Предохранитель типа ПН-2.

Эти предохранители более совершенны, чем предохранители ПР-2. Корпус квадратного сечения 1 предохранителя типа ПН-2 (рисунок 5.4) изготавливается из прочного фарфора или стеатита. Внутри корпуса расположены ленточные плавкие вставки 2 ц наполнитель — кварцевый песок 3, Плавкие вставки привариваются к диску 4, который крепится к пластинам 5, связанным с ножевыми контактами 9. Пластины 5 крепятся к корпусу винтами.

В качестве наполнителя используется кварцевый песок с содержанием SiO2 не менее 98 %, с зернами размером (0,2-0,4) • 10- 3 м и влажностьюне выше 3 %. Перед засыпкой песок тщательно просушивается при температуре 120—180 °С. Зерна кварцевого песка имеют высокую теплопроводность и хорошо развитую охлаждающую поверхность.

Плавкая вставка выполняется из медной ленты толщиной 0,1— 0,2мм. Для получения токоограничения вставка имеет суженные сечения 8.Плавкая вставка разделена на три параллельных ветви для более полного использования наполнителя. Применение тонкой ленты, эффективный теплоотвод от суженных участков позволяют выбрать небольшое минимальное сечение вставки для данного номинального тока, что обеспечивает высокую токоограничивающую способность. Соединение нескольких суженных участков последовательно способствует замедлению роста тока после плавления вставки, так как возрастает напряжение на дуге предохранителя. Для снижения температуры плавления на вставки наносятся оловянные полоски 7 (металлургический эффект).

При КЗ плавкая вставка сгорает и дуга горит в канале, образованном зернами наполнителя. Из-за горения в узкой щели при токах выше 100 А дуга имеет возрастающую вольт-амперную характеристику. Градиент напряжения на дуге очень высок н достигает (2-6) • 10 4 В/м. Этим обеспечивается гашение дуги за несколько миллисекунд.

После срабатывания предохранителя плавкие вставки вместе с диском 4 заменяются, после чего патрон засыпается песком. Для герметизации патрона под пластины 5 кладется асбестовая прокладка 6, что предохраняет песок от увлажнения. При номинальном токе 40 А и ниже предохранитель имеет более простую конструкцию.

Предохранители ПН-2 выпускаются на номинальный ток до 630 А. Предельный отключаемый ток КЗ, который может отключаться предохранителем, достигает 50 кА (действующее значение тока металлического КЗ сети, в которой устанавливается предохранитель).

Малые габариты, незначительная затрата дефицитных материалов, высокая токоограничивающая способность являются достоинствами этого предохранителя.

В малогабаритных распределительных устройствах применяются резьбовые предохранители типа ПРС (рисунок 5.5, а). Один конец цепи подводится к контакту 1, который связан с контактной гильзой 2, соединенной резьбой с контактом съемной головки 3. Плавкая вставка 4 располагается в фарфоровом цилиндре 5, заполненном кварцевым песком. На торцах цилиндра 5 укреплены контактные колпачки, с которыми соединена плавкая вставка 4. Второй конец цепи через контакт 7 соединяется с контактным винтом 8. Предохранитель имеет указатель срабатывания. При сгорании плавкой вставки освобождается специальная пружина, которая выбрасывает глазок в застекленное отверстие 6. После срабатывания предохранителя заменяется цилиндр 5 со сгоревшей плавкой вставкой и сигнализирующим устройством.

Рисунок 5.5. Предохранитель типа ПРС (а), жидкометаллический предохранитель (б).

Предохранители этого типа выпускаются на токи до 100 А, напряжение до 440 В постоянного тока и до 500 В переменного тока частотой 50 Гц. Предельно отключаемый ток составляет 60 кА.

Эти предохранители более сложны в производстве и более дороги, чем предохранители ПН-2. Поэтому их применение целесообразно при малых габаритах распределительного устройства и ограниченном времени обслуживания (после сгорания плавкой вставки).

Предохранители с жидкометаллическим контактом.

В таком предохранителе (рис. 5.5, б) электроизоляционная трубка имеет капилляр, заполненный жидким металлом 2. Капилляр с жидким металлом герметично закрыт электродами 3, 4 и корпусом 5 с уплотнением 6 и имеет специальное демпфирующее устройство 7, 8. При протекании большого тока жидкий металл в нем испаряется, образуется паровая пробка и электрическая цепь размыкается. После определенного времени пары металла конденсируются и контакт восстанавливается. Предельный отключаемый ток таких предохранителей достигает 250 кА при напряжении 450 В переменного тока. Предохранители работают многократно с большим токоограничением.

Быстродействующие предохранители для защиты полупроводниковых приборов.

Малая тепловая инерция, быстрый прогрев полупроводникового перехода крайне затрудняют защиту мощных диодов, тиристоров и транзисторов при токовых перегрузках. Обычные типы предохранителей и автоматических выключателей из-за относительно большого времени срабатывания не обеспечивают защиту полупроводниковых приборов при КЗ. Для выполнения этой задачи разработаны специальные быстродействующие предохранители.

При времени протекания тока t · 10 4 А 2 ·с/мм 4 , для меди Б=10 5 А 2 ·с/мм 4 , для алюминия Б=3,4 · 10 4 А 2 ·с/мм 4 , q —сечение перешейка, мм 2 ; Т — постоянная времени цепи, с; Iк, уст — установившееся значение тока КЗ цепи.

При ƒ≥50 Гц и T≥2 мс время плавления на постоянном токе больше, чем на переменном. Максимальный пропускаемый предохранителем по­стоянный ток

Обычно предохранители рассчитывают для работы в цепях с постоянной времени T≤35 мс.

Конструктивно быстродействующий предохранитель представляет собой корпус из прочного фарфора, внутри которого расположены плавкие вставки и кварцевый песок. Контакты укрепляются к корпусу винтами и могут иметь различное исполнение.


В современных преобразовательных установках каждый полупроводниковый прибор имеет предохранитель. Токи, протекающие через предохранитель, могут достигать 100—200 кА. При разрушении предохранителя может произойти авария преобразовательной установки. В связи с этим быстродействующие предохранители должны иметь большую механическую прочность и обладать высокой надежностью.

В СССР Выпускается серия быстродействующих предохранителей ПП-57 на номинальные токи 40—800 А и готовится к выпуску серия ПП-59 на номинальные токи 250—2000 А. Номинальные напряжения составляют до 1250В переменного и до 1050В постоянного тока. Предохранитель ПП-59 на ток 400 А и напряжение 660 В имеет джоулев интеграл отключения 320·10 3 А 2 -с.

Быстродействующие предохранители предназначены только для защиты от КЗ. Защита от перегрузок должна выполняться другими аппаратами.

Предохранители Bussmann

Современные полупроводниковые элементы, к которым относятся быстродействующие диоды, транзисторы, запираемые тиристоры, а также твердотельные реле и IGBT-модули, широко распространены в силовых агрегатах. Несмотря на маленькие размеры, они позволяют управлять большой мощностью, однако, в отличие от электромеханических устройств, они довольно чувствительны к перенапряжениям и перегрузкам. При возникновении короткого замыкания в цепи возникают сверхтоки, величина которых может достигать сотен тысяч ампер, тогда как предел для полупроводниковых элементов не превышает нескольких тысяч ампер. Поэтому они нуждаются в защите от КЗ так же, как и сама аппаратура.

Критерии защиты

Существует ряд основных требований к защите полупроводниковых элементов. Она должна обеспечивать:

· мгновенное прерывание сверхтоков при их возникновении;

· ограничение тепловой энергии, проходящей к прибору при отключении электрической цепи;

· ограничение тока, проходящего через прибор.

При быстром прерывании сверхтоков в электроцепи с индуктивностью напряжение резко повышается, что может привести к выводу из строя даже тех элементов, которым свойственна высокая надежность – например, диодного моста.

В связи с этим защитное устройство, прерывая ток чрезмерной величины, должно одновременно не допускать повреждения компонентов цепи в результате перенапряжения. Хорошее защитное устройство:

· не нуждается в специальном обслуживании;

· не срабатывает при нормальном переходном процессе, а также, когда величина тока соответствует номиналу;

Всем этим требованиям отвечают быстродействующие предохранители, которые выпускаются английской компанией Bussmann.

Быстродействующие предохранители Bussmann: устройство и особенности работы

В отличие от обычных предохранителей, защищающих от повреждения оборудование, в котором нет полупроводниковых элементов, быстродействующий предохранитель Bussmann обеспечивает защиту именно силовых полупроводников. На корпус таких приборов нанесена маркировка в виде букв aR, а также символов диода и предохранителя, соединенных между собой последовательно.

Благодаря особой конструкции быстродействующие предохранители позволяют максимально уменьшить время срабатывания, свести к минимуму величину напряжения дуги и тепловой энергии (I 2 t), а также пропускаемого пикового тока. Их плавкие вставки конструктивно отличаются от тех, которыми снабжены обычные промышленные защитные элементы аналогичного номинала, и более устойчивы к воздействию высоких температур. Исходя из этого, в ходе конструирования быстродействующих предохранителей разработчиками были учтены высокая скорость процесса, а также значительное тепловыделение.

Корпус

В момент срабатывания предохранителя внутри него происходит мощный выброс высокотемпературной плазмы. Если корпус не удержит расширяющиеся газы внутри, то это приведет к повреждению окружающего оборудования, а также травмированию персонала. На нашем канале в Youtube ItecsRu есть видео взрыва бракованного предохранителя. Поэтому для изготовления корпусной части предохранителей Буссманн используются материалы высокого класса, способные к эффективному рассеиванию тепла и выдерживающие без вреда для себя ударные нагрузки. Для предохранителей, работающих на токах в тысячи ампер, применяется специальное водяное охлаждение.

Наполнитель

Большую роль в обеспечении безопасного срабатывания элемента играет его наполнитель. Для наполнения используется кварцевый песок, тщательно подобранный по размеру частиц. Если песчинки имеют разный размер, слишком мелкие или же, напротив, крупные, то они не будут плотно прилегать друг к другу. В результате струя газа, который образуется в ходе плавления вставки, наберет высокую скорость, практически не замедляясь при прохождении через наполнитель. Это приведет к тому, что корпус предохраняющего прибора попросту разорвется.

Во избежание этого при изготовлении предохранителей Бассманн для наполнения применяется калиброванный кварцевый песок. Подбор калибра наполнителя осуществляется индивидуально, в зависимости от типа защитного элемента.

В процессе сборки быстродействующего предохранителя его корпус плотно заполняется кварцевым песком с помощью специального вибростанка. По окончании сборки все готовые приборы просвечиваются рентгеном для определения наличия пустот. Это также позволяет проверить, правильно ли собраны все составляющие.

Ограничение тока

Еще одно немаловажное свойство быстродействующих элементов защиты цепи, кроме скорости срабатывания – способность к ограничению тока. Традиционные защитные автоматы при перегрузке не всегда обеспечивают мгновенное прекращение подачи питания. В результате сверхтоки КЗ в течение некоторого времени протекают по цепи, становясь причиной перегрева изоляционного слоя кабелей с его последующим разрушением, вызывая взрыв элементов сети, а иногда и приводя к пожару.

Если же в цепочку включен быстродействующий предохранитель, он обеспечивает ее разрыв прежде, чем ток и напряжение достигнут максимальной величины. Это позволяет уберечь подсоединенные компоненты от разрушительных перегрузок и не допустить их выхода из строя.

Чтобы обеспечить полноценную защиту сети, предохраняющие элементы нужно устанавливать вместе с автоматами, подключая их последовательно. Комбинированную защиту обеспечивают приборы Bussmann, в которых плавкая вставка совмещена с автоматическим выключателем.

Подбор номинала

Чтобы прибор для защиты полупроводниковых устройств работал корректно, очень важно, чтобы его номинал был подобран правильно. Это значение зависит от характеристик защищаемой электроцепи, а также от ряда внешних факторов. Так, если температура окружающего воздуха несколько повышена (это бывает при закрытом монтаже, а также, когда вблизи от места работ расположены предметы, излучающие тепло), защитный элемент должен иметь повышенный номинал.

Если же работа быстродействующего предохранителя происходит на холоде, или происходит его принудительное охлаждение под воздействием воздушного потока, номинал должен быть понижен. На выбор номинала, кроме того, оказывает влияние частота и плотность тока в контактной площадке, продолжительность импульсов тока перегрузки и их частота, а также атмосферное давление (если высота составляет более 2 км).

Подбирая номинал защитных элементов для схем с IGBT, следует учесть нюансы их работы на высоких частотах, к которым относится эффект близости проводников, а также скин-эффект. В соответствии с этим необходимо применять коэффициенты поправок.

Полупроводники вместе с быстродействующими элементами для их защиты применяются:

· в преобразователях частоты для электрических моторов;

· в аппаратах плавного запуска;

· в индукционных печах;

· в приводах электротока (как постоянной, так и переменной величины);

· в преобразователях напряжения и других устройствах;

Предохранители, разработанные компанией Bussmann, кроме того, используются в выпрямителях, в схемах зарядки аккумуляторных батарей, а также инверторах и преобразователях частоты с IGBT.

Особенности защиты электросхем с IGBT

Обеспечить надежную защиту таких схем довольно непросто. Дело в том, что при работе силовых транзисторов показатели их напряжения и тока приближены к верхним пределам. При выходе этих параметров за границы рабочего диапазона даже быстродействующие защитные элементы могут не успеть сработать, поскольку время перегрузки совсем мало. Результатом станет поломка транзистора и возникновение сверхтоков КЗ, так как пробитый переход имеет очень низкое сопротивление.

Под воздействием сверхтоков короткого замыкания изоляционный слой кабелей начинает плавиться. Нередко транзистор взрывается, из-за чего окружающие его элементы выходят из строя, а в оборудовании возникает пожар. Чтобы не допустить этого, быстродействующие предохранители следует задействовать в каждой электроцепи, в которую включен полупроводниковый элемент. Возможно, что модуль IGBT все же сгорит, но предохранитель сможет ограничить рост выделяющейся энергии и не допустить дальнейших разрушений.

Быстродействующие предохранители для схем с IGBT: особенности выбора

БДП, выпускаемые производителем Bussmann для схем с IGBT, имеют различные варианты держателей как для горизонтального, так и вертикального монтажа. Добиться уменьшения числа шин в электроцепи и, соответственно, снижения общей индуктивности можно, установив такой предохранитель и press-pack полупроводник в общем устройстве. Уменьшить энергопотери можно также с помощью параллельного включения защитных приборов.

Существует и другая проблема, характерная для IGBT, выполненных в корпусе из пластика. Для внутренних соединений таких устройств используется тонкая алюминиевая проволока. При возникновении неисправности она начинает плавиться, и это становится причиной образования дуги, под воздействием которой пластиковая корпусная часть нередко отделяется от подложки. Корпус модуля при этом оказывается поврежденным.

Чтобы избежать этого, БДП необходимо выбирать с тем учетом, чтобы величина его тепловой энергии (I 2 t) была меньше, чем выдерживает полупроводник. Выбор осложняется тем, что информацию по величине тепловой энергии зачастую не вносят в технические документы. К тому же, из-за нелинейной вольтамперной характеристики, свойственной полупроводникам, мгновенная рассеиваемая мощность и квадрат тока не являются пропорциональными. Поэтому величина тепловой энергии для полупроводников тем меньше, чем короче импульс – постоянной она не является. Быстродействующий предохранитель в этом случае нужно выбирать так, чтобы показатель его тепловой энергии был минимально возможным.

При повреждении соединительных кабелей или модуля IGBT напряжение и токи большой величины, образующиеся в силовой части, воздействуют на схему управления, что может привести к выходу последней из строя. Избежать этого можно, используя защитные элементы с максимально высоким быстродействием, способные работать в электроцепях постоянного тока.

Быстродействующие предохранители для схем с диодами и тиристорами

БДП также обеспечивают защиту от сверхтоков КЗ схем, в которые параллельно включены диоды и тиристоры. Их устанавливают в крупных выпрямительных агрегатах, которые должны функционировать непрерывно. При этом защитные элементы используются в каждой ветви электросхемы. Благодаря такому решению, даже если какой-нибудь из диодов или тиристоров выйдет из строя, работа общей схемы не будет нарушена. Самое главное в таком случае – правильно подобрать предохранитель по номиналу. Величина его тепловой энергии I 2 t должна быть меньше, чем параметр разрушения полупроводника. Кроме того, при отключении своей цепи он не должен вызывать срабатывания других предохранителей, установленных на исправных участках.

Недостатки быстродействующих предохранителей

Стоит отметить, что включение таких приборов в схему хоть и обеспечивает высокую степень защиты, но вместе с тем, как это обычно и бывает, сопряжено с побочными эффектами. К этим недостаткам следует отнести:

· увеличение энергопотерь, что в отдельных случаях вынуждает использовать принудительное охлаждение;

· дополнительная индуктивность, увеличивающая временную константу. К этому эффекту приводит и использование обычных предохранителей, но в ВЧ-схемах, где применяются быстродействующие предохранители, это становится особенно важным;

· конструктивные особенности быстродействующих предохранителей позволяют защитить цепь только от сверхтоков, возникших в результате КЗ. Для защиты от перегрузок нужно использовать другие элементы, например, последовательно включенные автоматы;

· повышение стоимости устройства.

Однако в сравнении с положительными свойствами таких защитных элементов имеющиеся минусы несущественны, и схемы, в которые БДП включены, отличаются высокой надежностью. Поэтому использование последних полностью себя оправдывает.

Заключение

Быстродействующие предохранители являются эффективным методом защиты схем с мощными полупроводниковыми приборами. Даже если в отдельных случаях такой прибор не может спасти защищаемую цепь от перегорания, то он позволяет не допустить сопутствующих повреждений вплоть до взрыва оборудования в целом, что может привести не только к существенным материальным потерям, но и создаст опасность для жизни людей.

На сайте интернет-магазина DIP8.RU представлен большой ассортимент быстродействующих предохранителей Bussmann. В каталоге можно подобрать и купить по доступной цене низковольтный защитный элемент для любой полупроводниковой цепи. Здесь представлены различные серии предохранителей: Eaton Bussmann, Cooper Bussmann Fuse и др. Весь товар сертифицирован и соответствует действующим стандартам. Некоторые модели сертифицированы для специального применения. Так, некоторые серии имеют сертификат ТР ТС 001, допускающий использование предохранителей Bussmann на железнодорожном транспорте Российской Федерации. На складе в Москве всегда есть в наличии большой ассортимент быстродействующих предохранителей Bussmann.

Современные полупроводниковые элементы, к которым относятся быстродействующие диоды, транзисторы, запираемые тиристоры, а также твердотельные реле и IGBT-модули, широко распространены в силовых агрегатах. Несмотря на маленькие размеры, они позволяют управлять большой мощностью, однако, в отличие от электромеханических устройств, они довольно чувствительны к перенапряжениям и перегрузкам. При возникновении короткого замыкания в цепи возникают сверхтоки, величина которых может достигать сотен тысяч ампер, тогда как предел для полупроводниковых элементов не превышает нескольких тысяч ампер. Поэтому они нуждаются в защите от КЗ так же, как и сама аппаратура.

Критерии защиты

Существует ряд основных требований к защите полупроводниковых элементов. Она должна обеспечивать:

· мгновенное прерывание сверхтоков при их возникновении;

· ограничение тепловой энергии, проходящей к прибору при отключении электрической цепи;

· ограничение тока, проходящего через прибор.

При быстром прерывании сверхтоков в электроцепи с индуктивностью напряжение резко повышается, что может привести к выводу из строя даже тех элементов, которым свойственна высокая надежность – например, диодного моста.

В связи с этим защитное устройство, прерывая ток чрезмерной величины, должно одновременно не допускать повреждения компонентов цепи в результате перенапряжения. Хорошее защитное устройство:

· не нуждается в специальном обслуживании;

· не срабатывает при нормальном переходном процессе, а также, когда величина тока соответствует номиналу;

Всем этим требованиям отвечают быстродействующие предохранители, которые выпускаются английской компанией Bussmann.

Быстродействующие предохранители Bussmann: устройство и особенности работы

В отличие от обычных предохранителей, защищающих от повреждения оборудование, в котором нет полупроводниковых элементов, быстродействующий предохранитель Bussmann обеспечивает защиту именно силовых полупроводников. На корпус таких приборов нанесена маркировка в виде букв aR, а также символов диода и предохранителя, соединенных между собой последовательно.

Благодаря особой конструкции быстродействующие предохранители позволяют максимально уменьшить время срабатывания, свести к минимуму величину напряжения дуги и тепловой энергии (I 2 t), а также пропускаемого пикового тока. Их плавкие вставки конструктивно отличаются от тех, которыми снабжены обычные промышленные защитные элементы аналогичного номинала, и более устойчивы к воздействию высоких температур. Исходя из этого, в ходе конструирования быстродействующих предохранителей разработчиками были учтены высокая скорость процесса, а также значительное тепловыделение.

Корпус

В момент срабатывания предохранителя внутри него происходит мощный выброс высокотемпературной плазмы. Если корпус не удержит расширяющиеся газы внутри, то это приведет к повреждению окружающего оборудования, а также травмированию персонала. На нашем канале в Youtube ItecsRu есть видео взрыва бракованного предохранителя. Поэтому для изготовления корпусной части предохранителей Буссманн используются материалы высокого класса, способные к эффективному рассеиванию тепла и выдерживающие без вреда для себя ударные нагрузки. Для предохранителей, работающих на токах в тысячи ампер, применяется специальное водяное охлаждение.

Наполнитель

Большую роль в обеспечении безопасного срабатывания элемента играет его наполнитель. Для наполнения используется кварцевый песок, тщательно подобранный по размеру частиц. Если песчинки имеют разный размер, слишком мелкие или же, напротив, крупные, то они не будут плотно прилегать друг к другу. В результате струя газа, который образуется в ходе плавления вставки, наберет высокую скорость, практически не замедляясь при прохождении через наполнитель. Это приведет к тому, что корпус предохраняющего прибора попросту разорвется.

Во избежание этого при изготовлении предохранителей Бассманн для наполнения применяется калиброванный кварцевый песок. Подбор калибра наполнителя осуществляется индивидуально, в зависимости от типа защитного элемента.

В процессе сборки быстродействующего предохранителя его корпус плотно заполняется кварцевым песком с помощью специального вибростанка. По окончании сборки все готовые приборы просвечиваются рентгеном для определения наличия пустот. Это также позволяет проверить, правильно ли собраны все составляющие.

Ограничение тока

Еще одно немаловажное свойство быстродействующих элементов защиты цепи, кроме скорости срабатывания – способность к ограничению тока. Традиционные защитные автоматы при перегрузке не всегда обеспечивают мгновенное прекращение подачи питания. В результате сверхтоки КЗ в течение некоторого времени протекают по цепи, становясь причиной перегрева изоляционного слоя кабелей с его последующим разрушением, вызывая взрыв элементов сети, а иногда и приводя к пожару.

Если же в цепочку включен быстродействующий предохранитель, он обеспечивает ее разрыв прежде, чем ток и напряжение достигнут максимальной величины. Это позволяет уберечь подсоединенные компоненты от разрушительных перегрузок и не допустить их выхода из строя.

Чтобы обеспечить полноценную защиту сети, предохраняющие элементы нужно устанавливать вместе с автоматами, подключая их последовательно. Комбинированную защиту обеспечивают приборы Bussmann, в которых плавкая вставка совмещена с автоматическим выключателем.

Подбор номинала

Чтобы прибор для защиты полупроводниковых устройств работал корректно, очень важно, чтобы его номинал был подобран правильно. Это значение зависит от характеристик защищаемой электроцепи, а также от ряда внешних факторов. Так, если температура окружающего воздуха несколько повышена (это бывает при закрытом монтаже, а также, когда вблизи от места работ расположены предметы, излучающие тепло), защитный элемент должен иметь повышенный номинал.

Если же работа быстродействующего предохранителя происходит на холоде, или происходит его принудительное охлаждение под воздействием воздушного потока, номинал должен быть понижен. На выбор номинала, кроме того, оказывает влияние частота и плотность тока в контактной площадке, продолжительность импульсов тока перегрузки и их частота, а также атмосферное давление (если высота составляет более 2 км).

Подбирая номинал защитных элементов для схем с IGBT, следует учесть нюансы их работы на высоких частотах, к которым относится эффект близости проводников, а также скин-эффект. В соответствии с этим необходимо применять коэффициенты поправок.

Полупроводники вместе с быстродействующими элементами для их защиты применяются:

· в преобразователях частоты для электрических моторов;

· в аппаратах плавного запуска;

· в индукционных печах;

· в приводах электротока (как постоянной, так и переменной величины);

· в преобразователях напряжения и других устройствах;

Предохранители, разработанные компанией Bussmann, кроме того, используются в выпрямителях, в схемах зарядки аккумуляторных батарей, а также инверторах и преобразователях частоты с IGBT.

Особенности защиты электросхем с IGBT

Обеспечить надежную защиту таких схем довольно непросто. Дело в том, что при работе силовых транзисторов показатели их напряжения и тока приближены к верхним пределам. При выходе этих параметров за границы рабочего диапазона даже быстродействующие защитные элементы могут не успеть сработать, поскольку время перегрузки совсем мало. Результатом станет поломка транзистора и возникновение сверхтоков КЗ, так как пробитый переход имеет очень низкое сопротивление.

Под воздействием сверхтоков короткого замыкания изоляционный слой кабелей начинает плавиться. Нередко транзистор взрывается, из-за чего окружающие его элементы выходят из строя, а в оборудовании возникает пожар. Чтобы не допустить этого, быстродействующие предохранители следует задействовать в каждой электроцепи, в которую включен полупроводниковый элемент. Возможно, что модуль IGBT все же сгорит, но предохранитель сможет ограничить рост выделяющейся энергии и не допустить дальнейших разрушений.

Быстродействующие предохранители для схем с IGBT: особенности выбора

БДП, выпускаемые производителем Bussmann для схем с IGBT, имеют различные варианты держателей как для горизонтального, так и вертикального монтажа. Добиться уменьшения числа шин в электроцепи и, соответственно, снижения общей индуктивности можно, установив такой предохранитель и press-pack полупроводник в общем устройстве. Уменьшить энергопотери можно также с помощью параллельного включения защитных приборов.

Существует и другая проблема, характерная для IGBT, выполненных в корпусе из пластика. Для внутренних соединений таких устройств используется тонкая алюминиевая проволока. При возникновении неисправности она начинает плавиться, и это становится причиной образования дуги, под воздействием которой пластиковая корпусная часть нередко отделяется от подложки. Корпус модуля при этом оказывается поврежденным.

Чтобы избежать этого, БДП необходимо выбирать с тем учетом, чтобы величина его тепловой энергии (I 2 t) была меньше, чем выдерживает полупроводник. Выбор осложняется тем, что информацию по величине тепловой энергии зачастую не вносят в технические документы. К тому же, из-за нелинейной вольтамперной характеристики, свойственной полупроводникам, мгновенная рассеиваемая мощность и квадрат тока не являются пропорциональными. Поэтому величина тепловой энергии для полупроводников тем меньше, чем короче импульс – постоянной она не является. Быстродействующий предохранитель в этом случае нужно выбирать так, чтобы показатель его тепловой энергии был минимально возможным.

При повреждении соединительных кабелей или модуля IGBT напряжение и токи большой величины, образующиеся в силовой части, воздействуют на схему управления, что может привести к выходу последней из строя. Избежать этого можно, используя защитные элементы с максимально высоким быстродействием, способные работать в электроцепях постоянного тока.

Быстродействующие предохранители для схем с диодами и тиристорами

БДП также обеспечивают защиту от сверхтоков КЗ схем, в которые параллельно включены диоды и тиристоры. Их устанавливают в крупных выпрямительных агрегатах, которые должны функционировать непрерывно. При этом защитные элементы используются в каждой ветви электросхемы. Благодаря такому решению, даже если какой-нибудь из диодов или тиристоров выйдет из строя, работа общей схемы не будет нарушена. Самое главное в таком случае – правильно подобрать предохранитель по номиналу. Величина его тепловой энергии I 2 t должна быть меньше, чем параметр разрушения полупроводника. Кроме того, при отключении своей цепи он не должен вызывать срабатывания других предохранителей, установленных на исправных участках.

Недостатки быстродействующих предохранителей

Стоит отметить, что включение таких приборов в схему хоть и обеспечивает высокую степень защиты, но вместе с тем, как это обычно и бывает, сопряжено с побочными эффектами. К этим недостаткам следует отнести:

· увеличение энергопотерь, что в отдельных случаях вынуждает использовать принудительное охлаждение;

· дополнительная индуктивность, увеличивающая временную константу. К этому эффекту приводит и использование обычных предохранителей, но в ВЧ-схемах, где применяются быстродействующие предохранители, это становится особенно важным;

· конструктивные особенности быстродействующих предохранителей позволяют защитить цепь только от сверхтоков, возникших в результате КЗ. Для защиты от перегрузок нужно использовать другие элементы, например, последовательно включенные автоматы;

· повышение стоимости устройства.

Однако в сравнении с положительными свойствами таких защитных элементов имеющиеся минусы несущественны, и схемы, в которые БДП включены, отличаются высокой надежностью. Поэтому использование последних полностью себя оправдывает.

Заключение

Быстродействующие предохранители являются эффективным методом защиты схем с мощными полупроводниковыми приборами. Даже если в отдельных случаях такой прибор не может спасти защищаемую цепь от перегорания, то он позволяет не допустить сопутствующих повреждений вплоть до взрыва оборудования в целом, что может привести не только к существенным материальным потерям, но и создаст опасность для жизни людей.

На сайте интернет-магазина DIP8.RU представлен большой ассортимент быстродействующих предохранителей Bussmann. В каталоге можно подобрать и купить по доступной цене низковольтный защитный элемент для любой полупроводниковой цепи. Здесь представлены различные серии предохранителей: Eaton Bussmann, Cooper Bussmann Fuse и др. Весь товар сертифицирован и соответствует действующим стандартам. Некоторые модели сертифицированы для специального применения. Так, некоторые серии имеют сертификат ТР ТС 001, допускающий использование предохранителей Bussmann на железнодорожном транспорте Российской Федерации. На складе в Москве всегда есть в наличии большой ассортимент быстродействующих предохранителей Bussmann.

2 t), а также пропускаемого пикового тока. Их плавкие вставки конструктивно отличаются от тех, которыми снабжены обычные промышленные защитные элементы аналогичного номинала, и более устойчивы к воздействию высоких температур. Исходя из этого, в ходе конструирования быстродействующих предохранителей разработчиками были учтены высокая скорость процесса, а также значительное тепловыделение.

Корпус

В момент срабатывания предохранителя внутри него происходит мощный выброс высокотемпературной плазмы. Если корпус не удержит расширяющиеся газы внутри, то это приведет к повреждению окружающего оборудования, а также травмированию персонала. На нашем канале в Youtube ItecsRu есть видео взрыва бракованного предохранителя. Поэтому для изготовления корпусной части предохранителей Буссманн используются материалы высокого класса, способные к эффективному рассеиванию тепла и выдерживающие без вреда для себя ударные нагрузки. Для предохранителей, работающих на токах в тысячи ампер, применяется специальное водяное охлаждение.

Наполнитель

Большую роль в обеспечении безопасного срабатывания элемента играет его наполнитель. Для наполнения используется кварцевый песок, тщательно подобранный по размеру частиц. Если песчинки имеют разный размер, слишком мелкие или же, напротив, крупные, то они не будут плотно прилегать друг к другу. В результате струя газа, который образуется в ходе плавления вставки, наберет высокую скорость, практически не замедляясь при прохождении через наполнитель. Это приведет к тому, что корпус предохраняющего прибора попросту разорвется.

Во избежание этого при изготовлении предохранителей Бассманн для наполнения применяется калиброванный кварцевый песок. Подбор калибра наполнителя осуществляется индивидуально, в зависимости от типа защитного элемента.

В процессе сборки быстродействующего предохранителя его корпус плотно заполняется кварцевым песком с помощью специального вибростанка. По окончании сборки все готовые приборы просвечиваются рентгеном для определения наличия пустот. Это также позволяет проверить, правильно ли собраны все составляющие.

Ограничение тока

Еще одно немаловажное свойство быстродействующих элементов защиты цепи, кроме скорости срабатывания – способность к ограничению тока. Традиционные защитные автоматы при перегрузке не всегда обеспечивают мгновенное прекращение подачи питания. В результате сверхтоки КЗ в течение некоторого времени протекают по цепи, становясь причиной перегрева изоляционного слоя кабелей с его последующим разрушением, вызывая взрыв элементов сети, а иногда и приводя к пожару.

Если же в цепочку включен быстродействующий предохранитель, он обеспечивает ее разрыв прежде, чем ток и напряжение достигнут максимальной величины. Это позволяет уберечь подсоединенные компоненты от разрушительных перегрузок и не допустить их выхода из строя.

Чтобы обеспечить полноценную защиту сети, предохраняющие элементы нужно устанавливать вместе с автоматами, подключая их последовательно. Комбинированную защиту обеспечивают приборы Bussmann, в которых плавкая вставка совмещена с автоматическим выключателем.

Подбор номинала

Чтобы прибор для защиты полупроводниковых устройств работал корректно, очень важно, чтобы его номинал был подобран правильно. Это значение зависит от характеристик защищаемой электроцепи, а также от ряда внешних факторов. Так, если температура окружающего воздуха несколько повышена (это бывает при закрытом монтаже, а также, когда вблизи от места работ расположены предметы, излучающие тепло), защитный элемент должен иметь повышенный номинал.

Если же работа быстродействующего предохранителя происходит на холоде, или происходит его принудительное охлаждение под воздействием воздушного потока, номинал должен быть понижен. На выбор номинала, кроме того, оказывает влияние частота и плотность тока в контактной площадке, продолжительность импульсов тока перегрузки и их частота, а также атмосферное давление (если высота составляет более 2 км).

Подбирая номинал защитных элементов для схем с IGBT, следует учесть нюансы их работы на высоких частотах, к которым относится эффект близости проводников, а также скин-эффект. В соответствии с этим необходимо применять коэффициенты поправок.

Полупроводники вместе с быстродействующими элементами для их защиты применяются:

· в преобразователях частоты для электрических моторов;

· в аппаратах плавного запуска;

· в индукционных печах;

· в приводах электротока (как постоянной, так и переменной величины);

· в преобразователях напряжения и других устройствах;


Предохранители, разработанные компанией Bussmann, кроме того, используются в выпрямителях, в схемах зарядки аккумуляторных батарей, а также инверторах и преобразователях частоты с IGBT.

Особенности защиты электросхем с IGBT

Обеспечить надежную защиту таких схем довольно непросто. Дело в том, что при работе силовых транзисторов показатели их напряжения и тока приближены к верхним пределам. При выходе этих параметров за границы рабочего диапазона даже быстродействующие защитные элементы могут не успеть сработать, поскольку время перегрузки совсем мало. Результатом станет поломка транзистора и возникновение сверхтоков КЗ, так как пробитый переход имеет очень низкое сопротивление.

Под воздействием сверхтоков короткого замыкания изоляционный слой кабелей начинает плавиться. Нередко транзистор взрывается, из-за чего окружающие его элементы выходят из строя, а в оборудовании возникает пожар. Чтобы не допустить этого, быстродействующие предохранители следует задействовать в каждой электроцепи, в которую включен полупроводниковый элемент. Возможно, что модуль IGBT все же сгорит, но предохранитель сможет ограничить рост выделяющейся энергии и не допустить дальнейших разрушений.

Быстродействующие предохранители для схем с IGBT: особенности выбора

БДП, выпускаемые производителем Bussmann для схем с IGBT, имеют различные варианты держателей как для горизонтального, так и вертикального монтажа. Добиться уменьшения числа шин в электроцепи и, соответственно, снижения общей индуктивности можно, установив такой предохранитель и press-pack полупроводник в общем устройстве. Уменьшить энергопотери можно также с помощью параллельного включения защитных приборов.

Существует и другая проблема, характерная для IGBT, выполненных в корпусе из пластика. Для внутренних соединений таких устройств используется тонкая алюминиевая проволока. При возникновении неисправности она начинает плавиться, и это становится причиной образования дуги, под воздействием которой пластиковая корпусная часть нередко отделяется от подложки. Корпус модуля при этом оказывается поврежденным.

Чтобы избежать этого, БДП необходимо выбирать с тем учетом, чтобы величина его тепловой энергии (I 2 t) была меньше, чем выдерживает полупроводник. Выбор осложняется тем, что информацию по величине тепловой энергии зачастую не вносят в технические документы. К тому же, из-за нелинейной вольтамперной характеристики, свойственной полупроводникам, мгновенная рассеиваемая мощность и квадрат тока не являются пропорциональными. Поэтому величина тепловой энергии для полупроводников тем меньше, чем короче импульс – постоянной она не является. Быстродействующий предохранитель в этом случае нужно выбирать так, чтобы показатель его тепловой энергии был минимально возможным.

При повреждении соединительных кабелей или модуля IGBT напряжение и токи большой величины, образующиеся в силовой части, воздействуют на схему управления, что может привести к выходу последней из строя. Избежать этого можно, используя защитные элементы с максимально высоким быстродействием, способные работать в электроцепях постоянного тока.

Быстродействующие предохранители для схем с диодами и тиристорами

БДП также обеспечивают защиту от сверхтоков КЗ схем, в которые параллельно включены диоды и тиристоры. Их устанавливают в крупных выпрямительных агрегатах, которые должны функционировать непрерывно. При этом защитные элементы используются в каждой ветви электросхемы. Благодаря такому решению, даже если какой-нибудь из диодов или тиристоров выйдет из строя, работа общей схемы не будет нарушена. Самое главное в таком случае – правильно подобрать предохранитель по номиналу. Величина его тепловой энергии I 2 t должна быть меньше, чем параметр разрушения полупроводника. Кроме того, при отключении своей цепи он не должен вызывать срабатывания других предохранителей, установленных на исправных участках.

Недостатки быстродействующих предохранителей

Стоит отметить, что включение таких приборов в схему хоть и обеспечивает высокую степень защиты, но вместе с тем, как это обычно и бывает, сопряжено с побочными эффектами. К этим недостаткам следует отнести:

· увеличение энергопотерь, что в отдельных случаях вынуждает использовать принудительное охлаждение;

· дополнительная индуктивность, увеличивающая временную константу. К этому эффекту приводит и использование обычных предохранителей, но в ВЧ-схемах, где применяются быстродействующие предохранители, это становится особенно важным;

· конструктивные особенности быстродействующих предохранителей позволяют защитить цепь только от сверхтоков, возникших в результате КЗ. Для защиты от перегрузок нужно использовать другие элементы, например, последовательно включенные автоматы;

· повышение стоимости устройства.

Однако в сравнении с положительными свойствами таких защитных элементов имеющиеся минусы несущественны, и схемы, в которые БДП включены, отличаются высокой надежностью. Поэтому использование последних полностью себя оправдывает.

Заключение

Быстродействующие предохранители являются эффективным методом защиты схем с мощными полупроводниковыми приборами. Даже если в отдельных случаях такой прибор не может спасти защищаемую цепь от перегорания, то он позволяет не допустить сопутствующих повреждений вплоть до взрыва оборудования в целом, что может привести не только к существенным материальным потерям, но и создаст опасность для жизни людей.

На сайте интернет-магазина DIP8.RU представлен большой ассортимент быстродействующих предохранителей Bussmann. В каталоге можно подобрать и купить по доступной цене низковольтный защитный элемент для любой полупроводниковой цепи. Здесь представлены различные серии предохранителей: Eaton Bussmann, Cooper Bussmann Fuse и др. Весь товар сертифицирован и соответствует действующим стандартам. Некоторые модели сертифицированы для специального применения. Так, некоторые серии имеют сертификат ТР ТС 001, допускающий использование предохранителей Bussmann на железнодорожном транспорте Российской Федерации. На складе в Москве всегда есть в наличии большой ассортимент быстродействующих предохранителей Bussmann.

Предохранители

Общие сведения. Предохранители – это электрические аппараты, предназначенные для защиты электрических цепей от токовых пе­регрузок и токов к.з. Основными элементами предохранителя являются плавкая вставка, включаемая последовательно с защищаемой цепью, и дугогасительное устройство.

К предохранителям предъявляются следующие требования:

1) Времятоковая характеристика предохранителя должна проходить ниже, но возможно ближе к времятоковой характеристике защищаемого объекта.

2) Время срабатывания предохранителя при КЗ должно быть минимально возможным, особенно при защите полупроводниковых приборов. Предохранители должны рабо­тать с токоограничением.

3) При КЗ в защищаемой цепи предохранители должны обеспечивать селективность защиты.

4) Характеристики предохранителя должны быть ста­бильными, а технологический разброс их параметров не должен нарушать надежность защиты.

5) В связи с возросшей мощностью установок предохра­нители должны иметь высокую отключающую способность.

6) Конструкция предохранителя должна обеспечивать возможность быстрой и удобной замены плавкой вставки при ее перегорании.

Нагрев плавкой вставки при длительной нагрузке. Основной характеристикой предохранителя является времятоковая характеристика, представляющая собой зави­симость времени плавления вставки от протекающего тока. Для совершенной защиты желательно, чтобы времятоковая характеристика предохранителя (кривая 1 на рис. 6.7) во всех точках шла немного ниже характеристики защищае­мой цепи или объекта (кривая 2 на рис. 6.7). Однако ре­альная характеристика предохранителя (кривая 3) пересе­кает кривую 2. Поясним это. Если характеристика предо­хранителя соответствует кривой 1, то он будет перегорать из-за старения или при пуске двигателя. Цепь будет отключаться при отсутствии недопустимых перегрузок. По­этому ток плавления вставки выбирается больше номи­нального тока нагрузки. При этом кривые 2 и 3 пересека­ются.

В области больших перегрузок (область Б) предо­хранитель защищает объект. В области А предохранитель объект не защищает.

При небольших перегрузках (1,5…2,0) нагрев предо­хранителя протекает медленно. Большая часть тепла отда­ется окружающей среде. Сложные условия теплоотдачи затрудняют расчет плавкой вставки.

Ток, при котором плавкая встав­ка сгорает при достижении ею уста­новившейся температуры, называет­ся пограничным током .

Для того чтобы предохранитель не срабатывал при номи­нальном токе, необходимо > . С другой сто­роны, для лучшей защиты значение должно быть воз­мож-но ближе к номинальному. При токах, близких к погра­ничному, температура плавкой вставки должна прибли­жаться к температуре плавления.

В связи с тем, что время плавления вставки при погра­ничном токе велико (более 1 ч) и температура плавления ее материала составляет много сотен градусов Цельсия, все детали предохранителя нагреваются до высоких темпе­ратур. Происходит тепловое старение плавкой вставки.

Для снижения температуры плавления вставки при ее изготовлении применяются легкоплавкие металлы и спла­вы (табл. 6.1.)

Свойства материалов, используемых в качестве плавкой вставки предохранителей

Примечание. – допустимая температура плавкой

вставки при дли­тельном про-текании тока; – температура плавления вставки; и – ко­эффициенты,

определяющие время плавления при КЗ. Время нагрева плавкой вставки от

начальной температуры до полного ее разрушения определяется суммой коэффициентов

Наименьшую температуру плавления имеет свинец. Но удельное сопротивление свинца в 12 раз выше, чем у меди. Для того чтобы при прохождении данного тока вставка на­грелась до допустимой температуры (150 °С), ее сечение должно быть значительно больше, чем сечение вставки из меди.

При плавлении вставки пары металла ионизируются в возникающей дуге благодаря высокой температуре. Из-за большого объема вставки количество паров металла в дуге велико, что затрудняет ее гашение и уменьшает предель­ный ток, отключаемый предохранителем. Из-за этих осо­бенностей вставок из легкоплавких металлов широкое распространение получили медные и серебряные плавкие встав­ки с металлургическим эффектом, который объясняется ниже. На тонкую медную проволоку (диаметром менее 0,001 м) наносится шарик из олова. При нагреве вставки сначала плавится олово, имеющее низкую температуру плавления (232 °С). В месте контакта олова с проволокой начинается растворение меди и уменьшение ее сечения. Это вызывает увеличение сопротивления и повышение потерь в этой точке. Процесс длится до тех пор, пока медная про­волока не расплавится в точке расположения оловянного шарика.

Возникшая при этом дуга расплавляет прово­локу на всей длине. Применение оловянного шарика снижает среднюю температуру плавления вставки до 280 °С.

Отношение / уменьшается до 1,2, что дает улуч­шение времятоковой характеристики.

Стабильность времятоковой характеристики в значи­тельной степени зависит от окисления плавкой вставки. Свинец и цинк образуют на воздухе пленку оксида, кото­рая предохраняет вставку от изменения сечения. Медная вставка при длительной работе и высокой температуре ин­тенсивно окисляется. Пленка оксида при изменении темпе­ратурного режима отслаивается, и сечение вставки постепен­но уменьшается. В результате плавкая вставка перегорает при номинальном токе, если ее температура при токе, близ­ком к пограничному, выбрана высокой. В табл. 6.1 приве­дены рекомендуемые допустимые температуры вста­вок при номинальном токе. Температура медной вставки при токе, близком к номинальному, должна быть значитель­но ниже температуры плавления. Поэтому приходится за­вышать сечение вставки и тем самым увеличивать отноше­ние / примерно до 1,8, что ухудшает защитные свойства предохранителя.

Серебряные плавкие вставки не подвержены тепловому старению, и ‘для них отношение / определяется только нагревом.

У вставок из легкоплавких материалов эксплуатацион­ная температура ближе к температуре плавления, что поз­воляет снизить отношение / до 1,2…1,4.

В настоящее время в качестве материала плавкой встав­ки начали применять алюминий. Пленка оксида на поверхности вставки защищает алюминий от коррозии и де­лает характеристику предохранителя стабильной. Большее удельное сопротивление материала компенсируется увеличением сечения вставки. Алюминий имеет температуру плавления ниже, чем у меди (658 против 1083 °С).

Времятоковые характеристики предохранителей со вставками постоянного сечения из легкоплавкого металла хорошо согласуются с характеристиками силовых транс­форматоров и других подобных объектов. Это объясняется низкой температурой плавления, стойкостью против корро­зии и малой теплопроводностью материала таких вставок.

Медная вставка из-за высокой теплопроводности, высо­кой температуры плавления и большого отношения / в области малых перегрузок не обеспечивает защиту объ­екта (область А, рис. 6.7).

Нагрев плавкой вставки при КЗ. Если ток, проходящий через вставку, в 3… 4 раза боль­ше номинального, то практически процесс нагрева идет адиабатически, т. е. все тепло, выделяемое плавкой встав­кой, идет на ее нагрев. Время нагрева вставки до температуры плавления

где – постоянная, определяемая только свойствами мате­риала и от размера вставкине зависящая; – поперечное сечение вставки; — ток, протекающий по вставке при КЗ защищаемой цепи; — плотность тока во вставке.

После того как температура плавкой вставки достигла температуры плавления, для перехода вставки из твердого состояния в жидкое ей необходимо сообщить тепло, равное скрытой теплоте плавления.

По мере того как часть плавкой вставки из твердого со­стояния перейдет в жидкое, ее удельное сопротивление рез­ко увеличится (в десятки раз). Время перехода из твердого состояния в жидкое

где – удельное сопротивление материала вставки при температуре плавления; – удельное сопротивление мате­риала вставки в жидком состоянии; – плотность материа­ла вставки; — скрытая теплота плавления на единицу массы материала вставки.

Значения постоянных и для наиболее часто приме­няемых металлов приведены в табл. 6.1. В действительности процесс плавления идет более сложно. Как только появит­ся жидкий участок вставки, электродинамические силы, сжимающие проводник, образуют суженные уча­стки. В этих участках возрастает плотность тока и повыша­ется температура. Уменьшение сечения вставки создает раз­рывающие усилия, аналогичные силам в контактах при КЗ. Таким образом, как правило, дуга загорается рань­ше, чем вставка полностью перейдет в жидкое состояние.

Основным параметром предохранителя при КЗ являет­ся предельный ток отключения. Это ток, который он может отключить при возвращающемся напряжении, равном наи­большему рабочему напряжению.

Плавление вставки переменного сечения происходит в перешейках с наименьшим сечением. Процесс нагрева пе­решейка протекает так быстро, что тепло почти не успе­вает отводиться на участки повышенного сечения. Наличие перешейков уменьшенного сечения позволяет резко сни­зить время с момента начала КЗ до появления дуги.

Про­цесс гашения дуги начинается до момента достижения то­ком к.з. установившегося или даже амплитудного значе­ния (рис. 6.8). Дуга образуется через время после начала КЗ, когда ток в цепи значительно меньше установившегося значе­ния .

Средства дугогашения позволяют погасить дугу за мил­лисекунды. При этом проявляется эффект токоограничения, показанный на рис. 6.8. При отключении поврежденной цепи с токоограничением облегчается гашение дуги, так как отключается не установившийся ток к.з., а ток, опреде­ляемый временем плавления вставки.

С ростом номинального тока возрастает, естественно, и минимальное сечение вставки.

Увеличение этого сечения приводит к возрастанию длительности плавления вставки и уменьшению эффекта токоограничения. Интенсивный от­вод тепла от вставки при номинальном режиме позволяет выбрать уменьшенное сечение вставки и повысить эффект токоограничения.

Принцип действия предохранителей

Назначение и принцип действия

Определение и назначение

Плавкий предохранитель — это коммутационный электрический элемент, предназначенный для отключения защищаемой цепи путем расплавления защитного элемента. Изготовляют плавкие элементы из свинца, сплавов свинца с оловом, цинка, меди. Предназначены для защиты электрооборудо­вания и сетей от токов короткого замыкания и недопустимых длительных перегрузок.

Режимы работы предохранителя

Работа предохранителя протекает в двух резко различающихся режимах: в нормальных условиях; в условиях перегрузок и коротких замыканий.

Первый этап — работа в штатном режиме сети. В нормальных условиях нагрев плавкого элемента имеет характер установившегося процесса, при котором все выделяемое в нем количество теплоты отдается в окружающую среду. При этом, кроме элемента, нагреваются до установившейся темпера­ туры и все другие детали предохранителя. Эта температура не должна превышать допустимых значений.

Силу тока, на которую рассчитан плавкий элемент для длительной рабо­ ты, называют номинальной силой тока плавкого элемента (1 Н ом)- Она может быть отлична от номинальной силы тока самого предохранителя. Обычно в один и тот же предохранитель можно вставлять плавкие элементы на раз­ личные номинальные значения силы тока.

Номинальная сила тока предохранителя, указанная на нем, равна наи­ большему значению тока плавкого элемента, предназначенного для данной конструкции предохранителя. При номинальной силе тока избыточное ко­ личество теплоты вследствие теплопроводности материала элемента успева­ ет распространиться к более широким частям, и весь элемент практически нагревается до одной температуры.

Второй этап — возрастание силы тока в сети. Чтобы значительно сокра­ тить время плавления вставки при возрастании силы тока, элемент выпол­няют в виде пластинки с вырезами, уменьшающими ее сечение на отдель­ ных участках. На этих суженных участках выделяется большее количество теплоты, чем на широких.

При коротком замыкании нагревание суженных участков происходит на­столько интенсивно, что отводом количества теплоты практически можно пренебречь Плавкий элемент расплавляется («перегорает») одновременно во всех или в нескольких суженных местах, причем сила тока в цепи при коротком замыкании не успевает достичь установившегося значения.

В момент расплавления элемента в месте разрыва цепи возникает электри­ ческая дуга. Гашение дуги в современных предохранителях происходит в ограни­ ченном объеме патрона предохранителя. При этом плавкие предохранители делают такими, чтобы жидкий металл не мог повредить окружающие предметы.

Общее устройство и конструкция

В общем случае современный предохрани­ тель состоит из двух основных частей: фарфо­ рового основания с металлической резьбой; сменной плавкой вставки (рис. 21.1).

Плавкая вставка такого предохранителя рас­считана на номинальные токи 10, 16, 20 А. По своей конструкции предохранители могут быть резьбового типа (пробочные) или трубчатые. На рис. 21.2 представлен предохранитель ППТ-10 с плавкой вставкой ВТФ (вставка трубчатая фар­форовая) на 6 или 10 А для установок до 250 В. Основание пластмассовое, крепится к несущей конструкции винтом. Внутри трубки (ВТФ) на­ ходится сухой кварцевый песок. Трубка уста­ навливается в отверстие крышки предохраните­ ля. К основным параметрам предохранителей относятся: номинальный ток; номинальное на­ пряжение; предельно отключаемый ток.

Плавкая вставка при протекании по ней тока нагревается. Во время протекания через нее боль­ шого тока за счет перегрузки или короткого за­ мыкания она перегорает. Время перегораний пре­ дохранителей зависит от силы тока, проходящего через нить. Так, при коротком замыкании, пре дохранители перегорают достаточно быстро, и в этом наиболее опасном случае служат простой, дешевой и надежной защитой. Чтобы при перегора­нии плавкой вставки в предохранителе не проявилось опасное явление элек­ трической дуги, вставка помещается в фарфоровую трубку.

Пример. Введем в цепь на рис. 21.3 предохраняющий участок длиной 30 мм из медной проволочки диаметром 0,2 мм. Площадь ее поперечного сечения; S = π • r 2 = π /4 • d 2 = 3,14 • 0,2 2 : 4 = 0,0031 мм 2 .

Сопротивление предохраняющего участка составляет 0,029 Ом. Затем мысленно выделим участок такой же длины, сопротивление рабочего алюминиевого провода сече­ нием 2,5 мм 2 такой же длины равно 0,00063 Ом. Так как при равных условиях количество теплоты пропорционально сопротивлению, в проволочке предохранителя вы­ делится в 0,029 : 0,00063 = 46 раз больше теплоты.

Выводы. При длительно допустимом для данного провода токе, он нагревается умерен­ но, а температура проволочки значительно выше, но она при этом не перегорает. При коротком замыкании проволочка настолько быстро нагревается, что перегорает. За это время рабочий провод не успевает нагреться до температуры, опасной для его изоляции.

Важнейшая характеристика предохраните­ ля — зависимость времени перегорания плав­кого элемента от силы тока — времятоковая характеристика представлена на рис. 21.4.

Достоинства плавких предохранителей

1. Время перегорания предохранителей зави­ сит от силы тока, проходящего через нить. Так, при коротком замыкании, когда ток очень велик, предохранители перегорают достаточно быстро, и в этом наиболее опасном случае служат простой, дешевой и надежной зашитой.

2. В большинстве плавках предохранителей предусмотрена возможность безопасной заме­ ны плавкой вставки под напряжением.

Недостатки плавких предохранителей

1. Если ток в цепи незначительно превышает допустимый, плавкие предохранители плохо выполняют защитную роль.

Примеры. При перегрузках до 30% срок службы проводки заметно сокращается, а предохранители не перегорают. При больших величинах перегрузок (до 50. 70%) время перегорания предохранителей составляет от минуты до десятков минут. За это время изоляция перегруженных проводов успевает сильно перегреться.

2. Другим недостатком предохранителей является их повреждаемость.
После перегорания пробку нужно заменять новой (перезаряжать). Для про­ стоты восстановления в конструкции плавких предохранителей применяют­ ся сменные калиброванные плавкие вставки.

15 Предохранители, параметры, требования, характеристики

11. Предохранители, параметры, требования, характеристики. Выбор предохранителей.

Предохранители — это электрические аппараты, предна­значенные для зашиты электрических цепей от токовых пе­регрузок и токов КЗ. Основными элементами предохрани­теля являются плавкая вставка, включаемая последова­тельно с защищаемой цепью, и дугогасительное устройство.

К предохранителям предъявляются следующие требо­вания.

1. Времятоковая характеристика предохранителя долж­на проходить ниже, но возможно ближе к времятоковои ха­рактеристике защищаемого объекта.

2. Время срабатывания предохранителя при КЗ должно быть минимально возможным, особенно при защите полупроводниковых приборов. Предохранители должны рабо­тать с токоограничением .

3. При КЗ в защищаемой цепи предохранители должны обеспечивать селективность защиты.

4. Характеристики предохранителя должны быть ста­бильными, а технологический разброс их параметров не должен нарушать надежность защиты.

5. В связи с возросшей мощностью установок предохра­нители должны иметь высокую отключающую способность.

6. Конструкция предохранителя должна обеспечивать возможность быстрой и удобной замены плавкой вставки при ее перегорании.

НАГРЕВ ПЛАВКОЙ ВСТАВКИ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКЕ

Основной характеристикой предохранителя является времятоковая характеристика, представляющая собой зави­симость времени плавления вставки от протекающего тока. Для совершенной защиты желательно, чтобы времятоковая характеристика предохранителя (кривая 1 на рис. 11.1) во всех точках шла немного ниже характеристики защищае­мой цепи или объекта (кривая 2 на рис. 11.1). Однако ре­альная характеристика предохранителя (кривая 3) пересе­кает кривую 2. Поясним это. Если характеристика предо­хранителя соответствует кривой 1, то он будет перегорать из-за старения или при пуске двигателя. Цепь будет отключаться при отсутствии недопустимых перегрузок. По­этому ток плавления вставки выбирается больше номи­нального тока нагрузки. При этом кривые 2 и 3 пересека­ются. В области больших перегрузок (область Б) предо­хранитель защищает объект. В области А предохранитель объект не защищает.

При небольших перегрузках (l,5–2) IHM нагрев предо­хранителя протекает медленно. Большая часть тепла отда­ется окружающей среде. Сложные условия теплоотдачи затрудняют расчет плавкой вставки.

Ток, при котором плавкая встав­ка сгорает при достижении ею уста­новившейся температуры, называет­ся пограничным током IПОГР.

Рис. 11.1. Согласование характеристик пре­дохранителя и защищаемого объекта

Для того чтобы предохранитель не срабатывал при номи­нальном токе Iном., необходимо . С другой сто­роны, для лучшей защиты значение IПОГР. должно быть воз­можно ближе к номинальному. При токах, близких к погра­ничному, температура плавкой вставки должна прибли­жаться к температуре плавления.

В связи с тем, что время плавления вставки при погра­ничном токе велико (более 1 ч) и температура плавления ее материала составляет много сотен градусов Цельсия, все детали предохранителя нагреваются до высоких темпе­ратур. Происходит тепловое старение плавкой вставки.

Для снижения температуры плавления вставки при ее изготовлении применяются легкоплавкие металлы и спла­вы. Материалы плавких вставок и их свойства даны в табл. 11.1.

Удельное сопротив­ление р , мкОм•м

Материалы плавких вставок и их свойства Таблица 11.1

Наименьшую температуру плавления имеет свинец. Но удельное сопротивление свинца в 12 раз выше, чем у меди. Для того чтобы при прохождении данного тока вставка на­грелась до допустимой температуры (150 °С), ее сечение должно быть значительно больше, чем сечение вставки из меди.

При плавлении вставки пары металла ионизируются в возникающей дуге благодаря высокой температуре. Из-за большого объема вставки количество паров металла в дуге велико, что затрудняет ее гашение и уменьшает предель­ный ток, отключаемый предохранителем. Из-за этих осо­бенностей вставок из легкоплавких металлов широкое распространение получили медные и серебряные плавкие встав­ки с металлургическим эффектом, который объясняется ниже. На тонкую медную проволоку (диаметром менее 0,001 м) наносится шарик из олова. При нагреве вставки сначала плавится олово, имеющее низкую температуру плавления (232 С С). В месте контакта олова с проволокой начинается растворение меди и уменьшение ее сечения. Это вызывает увеличение сопротивления и повышение потерь в этой точке. Процесс длится до тех пор, пока медная про­волока не расплавится в точке расположения оловянного шарика. Возникшая при этом дуга расплавляет прово­локу на всей длине. Применение оловянного шарика снижает среднюю температуру плавления вставки до 280 °С.

Отношение IПОГР / Iном., уменьшается до 1,2, что дает улуч­шение времятоковой характеристики.

Стабильность времятоковой характеристики в значи­тельной степени зависит от окисления плавкой вставки. Свинец и цинк образуют на воздухе пленку оксида, кото­рая предохраняет вставку от изменения сечения. Медная вставка при длительной работе и высокой температуре ин­тенсивно окисляется. Пленка оксида при изменении темпе­ратурного режима отслаивается, и сечение вставки постепен­но уменьшается. В результате плавкая вставка перегорает при номинальном токе, если ее температура при токе, близ­ком к пограничному, выбрана высокой. В табл. 11.1 приве­дены рекомендуемые допустимые температуры вста­вок при номинальном токе. Температура медной вставки при токе, близком к номинальному, должна быть значитель­но ниже тепмературы плавления. Поэтому приходится за­вышать сечение вставки и тем самым увеличивать отноше­ние IПОГР / Iном., примерно до 1,8, что ухудшает защитные свойства предохранителя.

Серебряные плавкие вставки не подвержены тепловому старению, и для них отношение IПОГР / Iном., определяется только нагревом.

У вставок из легкоплавких материалов эксплуатационная температура ближе к температуре плавления, что поз­воляет снизить отношение IПОГР / Iном., до 1,2—1,4.

В настоящее время в качестве материала плавкой встав­ки начали применять алюминий. Пленка оксида на поверхности вставки защищает алюминий от коррозии и де­лает характеристику предохранителя стабильной. Большее удельное сопротивление материала компенсируется увеличением сечения вставки. Алюминий имеет температуру плавления ниже, чем у меди (658 против 1083 °С).

Времятоковые характеристики предохранителей со вставками постоянного сечения из легкоплавкого металла хорошо согласуются с характеристиками силовых транс­форматоров и других подобных объектов. Это объясняется низкой температурой плавления, стойкостью против корро­зии и малой теплопроводностью материала таких вставок.

Медная вставка из-за высокой теплопроводности, высо­кой температуры плавления и большого отношения IПОГР / Iном в области малых перегрузок не обеспечивает защиту объ­екта (область А, рис. 11.1).

КОНСТРУКЦИЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

а) Предохранители с гашением дуги в закрытом объеме. Прсдохранители на токи от 15 до 60 А имеют упрощенную конструкцию. Плавкая вставка 1 прижимается к латунной обойме 4 колпачком 5, которые является выходным контактом (рис. 16.3, а). Плавкая вставка 1 штампуется из цинка, являющегося легкоплавким и стойким к коррозии материалом. Указанная форма вставки позволяет получить благоприятную времятоковую (защитную) характеристику. В предохранителях на токи более 60 А плавкая вставка 1 присоединяется к контактным ножам 2 с помощью болтов (рис. 11.2, б).

Вставка располагается в герметичном трубчатом патроне, который состоит из фибрового цилиндра 3, латунной обоймы 4 и латунного колпачка 5.

При отключении сгорают суженные перешейки плавкой вставки, пос­ле чего возникает дуга. Под действием температуры дуги фибровые стенки патрона выделяют газ, в результате чего давление в патроне за доли полупериода поднимается до 4—8 МПа. За счет увеличения давле­ния поднимается вольт-амперная характеристика дуги, что способству­ет ее быстрому гашению.

Плавкая вставка может иметь от одного до четырех сужений (рис 11.2, в) в зависимости от номинального напряжения. Суженные участки вставки способствуют быстрому ее плавлению при КЗ и созда­ют эффект токоограничения.

Поскольку гашение дуги происходит очень быстро (0,002 с), можно считать, что уширенные части вставки в процессе гашения остаются не­подвижными. Рассмотрим вставку с четырьмя перешейками. После их перегорания образуются четыре разрыва. На каждом катоде разрыва восстанавливается электрическая прочность около 200 В, а суммарная прочность предохранителей достигает 800 В. Это явление наряду с вы­соким давлением позволяет надежно гасить дугу при напряжении ис­точника до 500 В.

Давление внутри патрона пропорционально квадрату тока в момент плавления вставки и может достигать больших значений. Поэтому фибровый цилиндр должен обладать высокой механической прочностью, для чего на его концах установлены латунные обоймы 4. Диски 6, жестко связанные с контактными ножами 2, крепятся к обой­ме патрона 4 с помощью колпачков 5.

Предохранители работают бесшумно, практически без выброса пла­мени и газов, что позволяет устанавливать их на близком расстоянии друг от друга.

Рис. 11.2. Предохранитель типа ПР-2

Предохранители выпускаются двух осевых размеров — короткие и длинные. Короткие предназначены для работы на переменном напря­жении не выше 380 В. Они имеют меньшую отключающую способность, чем длинные, рассчитанные на работу в сети с напряжением до 500 В.

В зависимости от номинального тока выпускается шесть габаритов патронов различных диаметров. В патроне каждого габарита могут ус­танавливаться вставки на различные номинальные токи. Так, в патроне на номинальный ток 15 А могут быть установлены вставки на ток 6, 10 и 15 А.

В табл. 11.2 приведены значения испытательных токов для предо­хранителя типа ПР-2. Различают нижнее и верхнее значения испытатель­ного тока. Нижнее значение испытательного тока — это максимальный ток, который, протекая в течение 1 ч, не приводит к перегоранию пре­дохранителя. Верхнее значение испытательного тока — это минимальный ток, который, проходя в течение 1 ч, плавит вставку предохранителя. С достаточной точностью можно принять пограничный ток равным сред­неарифметическому испытательных токов.

Предохранители типа ПР-2 обладают токоограничением. Так, в цепи с током КЗ 50 000 А плавкая вставка на номинальный ток 6 А пере­горает при токе всего 400 А. Однако чем больше номинальный ток, тем меньше эффект токоограничения. При номинальном токе 600 А токоограничение отсутствует, так как дуга горит весь полупериод.

Испытательные токи плавких вставок Таблица 16.2.

Длительность про­хождения испыта­тельного тока, ч

Каждый электрик должен знать:  Ступенчатый регулятор напряжения
Добавить комментарий